Возрождение водорослей из (почти) небытия

Водоросли, находящиеся в темноте в состоянии, близком к смерти, могут вернуться к жизни из ледяного и туманного окружения — и, возможно, даже стать основой для нового начала, способного обеспечить биотопливо для чистого энергетического будущего.

В Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) Министерства энергетики США водоросли подобны подростку с большим потенциалом: медленно пробуждаются, но полны энергии для долгого пути. Хотя это может занять годы, большие ожидания в конечном итоге могут оправдаться.

Галлон топлива из водорослей в настоящее время стоит примерно в четыре раза дороже галлона обычного дизельного топлива. Но в долгосрочной перспективе водоросли — неисчерпаемый ресурс, и их использование в качестве заменителя топлива резко сократит количество диоксида углерода в атмосфере, а стоимость производства снижается.

Воскрешение водорослей — деликатная задача

В отличие от воскрешения зомби, пробуждение спящего образца водорослей требует точности и осторожности. В NREL эта задача часто ложится на техника-исследователя Ника Суини.

«Мы проводим криогенное воскрешение водорослей из нашей библиотеки штаммов. Мы получаем запросы от других лабораторий, университетов, частных компаний или от наших собственных исследователей на конкретный штамм. Это не так просто, как вытащить что-то замороженное из морозильника; протокол предполагает медленное возвращение к состоянию, в котором их биология начнет нормально функционировать».

Замороженные образцы водорослей хранятся в 2-миллилитровых флаконах в криогенном резервуаре высотой 4 фута, некоторые — до пяти лет. В то время как бытовой морозильник работает при -18°C, криогенный резервуар в NREL настроен на -195°C. Жидкий азот обеспечивает охлаждение. Водоросли остаются живыми, но в состоянии покоя, благодаря 5% раствору криопротектора, такого как метанол. Внутри резервуара абсолютно темно.

Клетки похожи на кофейную гущу в морозильной камере

Клетки во флаконе выглядят как пеллеты, похожие на кофейную гущу. Первый шаг — отделить жидкость от твердых веществ с помощью центрифуги. После удаления воды, солей и криопротекторных растворителей остаются зеленые клетки водорослей.

При оживлении клеток крайне важно держать их в темноте на первых нескольких этапах процесса. Для этого можно обернуть флакон бумажным полотенцем.

Цель — медленно воссоздать естественную среду обитания водорослей, поэтому вводится питательная среда. В зависимости от происхождения штамма, среда может быть солоноватой, соленой, пресной или содержать многочисленные ингредиенты, имитирующие естественный химический состав воды.

Затем образцы помещают в шейкер для хорошего смешивания клеток со средой. После ресуспендирования пеллет в питательной среде их помещают в условия приглушенного освещения на 24 часа. Они могут быть повреждены при немедленном воздействии полного света. Постепенно интенсивность света увеличивается. Водоросли размножаются самостоятельно, и вскоре их популяция удваивается, учетверяется и более.

NREL и партнеры используют преимущества водорослей

Но зачем замораживать и размораживать новые штаммы водорослей? Водоросли имеют несколько преимуществ:

• Их продуктивность в 50 раз выше, чем у наземных культур, если измерять выходом биотоплива с акра.
• В отличие от кукурузы и сои, они не являются пищевым ресурсом.
• Они используют непродуктивные земли, такие как пустыни, солоноватые озера и океаны.
• Их часто можно использовать совместно с очисткой сточных вод.

Водоросли не только могут производить сырье для транспортного топлива, но и в будущем предлагают возможность рециркуляции диоксида углерода из других источников энергии.

Уникальный биореактор в NREL может выявить сложные биохимические перестройки, которые претерпевают водоросли при выращивании в различных условиях, включая климатические различия в разных регионах США. Эта возможность критически важна, поскольку может указать идеальные места для ферм по производству водорослей, которые когда-нибудь смогут конкурировать с возобновляемым дизелем, целлюлозным этанолом и другими альтернативами нефти.

Исследователи NREL, используя этот биореактор, также показали, что водоросли, выращенные в правильных условиях, могут производить не только липиды, но и белки и углеводы, которые можно превращать в дизельное топливо, бутанол, этанол и другие полезные для промышленности виды топлива. NREL почти удвоил количество топлива, которое можно получить из того же количества водорослей, используя дополнительные компоненты.

Исследования водорослей в NREL включали сотрудничество с Cellana, Sapphire и Algenol, а также партнерство с Chevron Corp. для разработки новых технологий ускорения коммерциализации биотоплива из водорослей. Большая часть финансирования NREL в этой области поступает от Управления биоэнергетических технологий Министерства энергетики США, но лаборатория недавно получила финансирование от Управления науки на инженерию метаболических путей в водорослях.

Счастливый конец

Водоросли продолжат жить после длительного опыта, близкого к смерти. Они будут использованы не для зловещих планов, а для благой цели — оценки в качестве штамма для производства биотоплива. И если выращивание водорослей для производства биотоплива будет успешно внедрено, результатом станет не мировое господство, а нечто гораздо более позитивное: сокращение выбросов парниковых газов, энергетическая безопасность и создание рабочих мест.