Топливо из опилок и цветущей воды

ОпилкиПравда ли, что биотопливо — будущее планеты? С одной стороны, нефтью и другими ископаемыми топливами богаты не все государства, да и мировые их запасы не бесконеч­ны. С другой стороны, производство дизеля и этанола из сельскохозяйственных растений может повысить цены на продовольствие и способствовать уничтожению лесов, да и с эмиссией парниковых газов все получается не так хорошо, как казалось. Однако возобновляемые источники, такие, как Солнце и ветер, дают в основном электроэнергию, а без жидкого топлива человечеству прожить не удастся (не будем пока говорить о водородной энергетике). Значит, придется снова и снова считать и ставить эксперименты.

Биотопливо по сравнению с ископаемым топливом считается экологически чистым, и его сторонники видят в этом неоспоримое достоинство. Их взгляд не раз­деляют Кейт Смит и Тимоти Серчингер из Эдинбургского университета. Они подвергли критике методы оценки, ос­нованные на так называемой модели анализа жизненного цикла (LSA), которые учитывают все факторы, связанные с производством и применением топлива. По их мнению, су­ществующие методы напрасно игнорируют углекислый газ, который выделяют транспортные средства, работающие на этаноле и биодизеле, а также оксид азота.

Приверженцы биотоплива утверждают, что растения, выра­щенные для его получения, поглотят столько же СО2, сколько попадет в атмосферу при его производстве и применении, а значит, этот СО2 можно не считать. Непонятно, замечают Смит и Серчингер, почему позволительно делать такое вычитание. Ведь на площади, занятой «биотопливными» культурами, в любом случае росли бы какие-то растения, поглощающие углекислый газ, а вот его выделения при сгорании топлива не было бы. Говорить о выигрыше по СО2 можно лишь в том случае, если на биотопливной делянке получен дополнитель­ный прирост растительной массы или если для удобрения используют отходы, которые иначе сгнили бы.

Кроме того, недооценивается роль в глобальном потепле­нии азотистых соединений, которые «выдыхает» насыщенная удобрениями земля. По оценкам Смита и Серчингера, эффек­ты от выброса в атмосферу килограмма N2O сопоставимы с теми, что вызывают 300 кг углекислого газа. В существую­щих моделях количество парниковых газов, выделяющихся из удобрений, занижено почти вдвое. Авторы предлагают улучшить ситуацию за счет использования истощившихся земель, которые поглощают удобрения с меньшими по­бочными выделениями. К тому же при этом биотопливо не отнимает площади у сельхозкультур. Сейчас, по их мнению, исследования, связанные с производством и применением биотоплива, не учитывают эти очевидные показатели и дви­гаются в ложном направлении.

Практичный подход к решению топливных и экологи­ческих проблем недавно предложили китайские ис­следователи. На основании собственных экспериментальных результатов и сведений из литературы авторы утверждают: ставку надо делать на искусственные водно-болотные угодья (constructed wetlands) — поля орошения со специально подо­бранными видами растений и микроорганизмов, где сточные вод очищаются от азотистых соединений. Эти искусственные болота не только снижают эмиссию парниковых газов, но и про­изводят целлюлозосодержащую биомассу, которая до сих пор только создавала проблемы и которую грех не использовать.

Исследователи построили пять таких искусственных болот в субтропической зоне Китая и определили продуктивность на 12 делянках, где произрастали 30 видов растений. В болота по­ступали бытовые сточные воды. Баланс между затраченной и полученной энергией у такой системы может быть выше, чем у наземных систем и водорослей, — для уже существующих систем выход энергии составляет около 237% от затраченной и может быть еще увеличен, если оптимизировать поступление азота, гидрологические параметры и видовой состав сообщества. Особенно перспективными признаны Arundo donax — арундо тростниковидный, он же тростник гигантский, а также тростник обыкновенный, различные виды рогоза и мисканта. По расчетам авторов, если все воды, загрязненные азотом, в Китае направить в такие водно-болотные угодья, то продукция биотоплива спо­собна покрыть 6,7% всего национального потребления бензина.

«Не убывает в магазинах водка, соотносясь с ре­сурсами опилок…» Вопреки распространенному мнению, крепкие спиртные напитки изготовляют из съедобно­го сырья (что, правда, не делает их полезными для здоровья). Из опилок и других целлюлозосодержащих ресурсов произ­водят технический этанол — жидкое биотопливо. Прошло то время, когда дрова просто бросали в печь.

Этанол нетрудно получить из низкомолекулярных сахаров, например путем брожения. Но целлюлоза — высокомолеку­лярный полимер глюкозы, высшие организмы его практически не умеют переваривать (термиты, питающиеся древесиной, прибегают для этого к помощи бактерий, обитающих у них в кишечнике). Мы умеем расщеплять целлюлозу химическим путем, с помощью серной кислоты и нагревания. Отсюда и название конечного продукта, который делают дрожжи из продуктов гидролиза, — спирт-гидролизат. Однако биотех­нологические пути могут оказаться гораздо перспективнее, поэтому так важно найти ферменты, превращающие древе­сину в раствор сахаров.

Сотрудники Норвежского университета биологических наук рассматривают новейшие достижения в этой области. Дре­весина, по сути, представляет собой лигнин — гидрофобный полимер сложного строения, армированный молекулами целлюлозы и гемицеллюлозы. Подобраться к этим молеку­лам непросто. Особое внимание норвежские ученые удели­ли недавно открытым типам ферментов — бактериальным CBM33 и ферментам из грибов GH61, которые катализируют окислительное расщепление целлюлозы. Они помогают ра­ботать обычным целлюлазам (ферментам, расщепляющим целлюлозу), делая разрывы в полисахаридных цепях прямо на поверхности нерастворимого субстрата и тем самым пре­вращая его в растворимый. Возможно, они-то и смогут за­менить жесткие химические методы переработки целлюлозы.

Интересно, что ферменты этих семейств активны и в от­ношении хитина — полимерного N-ацетилглюкозамина, про­изводного глюкозы, из панцирей членистоногих, например креветок. Авторы статьи считают, что подобные ферменты могут совершить революцию в получении биотоплива.

Последнее время многие научные группы работают над получением биотоплива из водорослей. Это на­правление финансируют и Министерство энергетики США, и нефтяной бизнес, не желающий упустить потенциальную вы­году, и даже «Боинг», заинтересованный в топливе для само­летов. Нефтяная компания «Exxon Mobil», например, оказывает поддержку биотехнологической компании «Synthetic Genomics» в Ла Хойя, который руководит Крейг Вентер. От исследователей ждут оптимизации фото­синтеза микроскопических водорослей: нефтяные скважины будущего, возможно, скрываются в недрах генома.

Топливо из водорослейПруды для микроскопических водорослей можно устраи­вать на земле, непригодной для сельского хозяйства. А генная инженерия, привычная к манипуляциям с микроорганизма­ми, вполне способна перестроить их метаболизм, повысив эффективность фотосинтеза. (Сейчас водоросли запасают около одного процента энергии солнечного света, и есть мнение, что эту цифру можно поднять до десяти.) Водоросли превращают углекислый газ, водород и азот в белки, жиры и углеводы, но, ограничив приток питательных веществ, мож­но переключить их на преимущественный синтез липидов. Затем клетки собирают центрифугированием, разрушают и получают весьма перспективную маслянистую жидкость. Побочный продукт, богатый белками и углеводами, можно использовать как корм для скота.

Однако на практике всегда появляются проблемы. Во-первых, для фотосинтеза нужен свет, и, когда толщина водорослевого слоя превышает несколько сантиметров, его эффективность падает. Как подсчитали Рене Вейффельс и Мария Барбоза из Центра исследований продуктов питания и биоматериалов Вагенинского университета (Нидерланды), чтобы получить 370 миллиардов тонн биодизеля — именно столько потребляет весь европейский транспорт, — понадобится 9,25 гектаров прудов. Это площадь Португалии. Лишь 5,5% земель в США подходят для организации водорослевых прудов, считает Марк Уигмоста из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории (Ричленд, Вашингтон). Зато даже при нынешних технологиях эти пруды дали бы 220 миллиардов литров «масла» — примерно половину от количества топлива, которое ежегодно ввозится в страну для нужд транспорта. Впрочем, есть и другая возмож­ность — биореакторы, куда более компактные. Но остается еще один вопрос: где брать углекислый газ для водорослей? Копать пруды рядом с предприятиями, работающими на сжигании угля? Есть в этом что-то неправильное…

Компания «Solazyme» (штат Калифорния) предлагает свое решение: они держат водоросли в темноте и кормят саха­рами, полученными из других источников. Водоросли пре­вращают сахара в жиры без использования фотосинтеза, и освещенные мелкие пруды больше не нужны Еще один вариант предложил Джеймс Ляо, специалист по биоинженерии из Калифорнийского университета (Лос- Анджелес): не ограничивать водоросли в пище, пусть они синтезируют белки и обильно размножаются, а потом сами становятся пищей для генно-модифицированной кишечной палочки, которая будет производить этанол и бутанол. Эти спирты нетрудно преобразовать в углеводородное топливо.

Кроме обычных микроводорослей, есть синезеленые водо­росли, или цианобактерии. Ими занимается компания «Joule Unlimited» в Кембридже (Массачусетс), один из основателей которой — известный молекулярный генетик Джордж Черч. Цианобактерии хороши тем, что выделяют продукты, которые производят, в среду, следовательно, нет необходимости раз­рушать клетки, и можно организовать проточный реактор. А генно-модифицированные цианобактерии, возможно, не будут нуждаться в дополнительных источниках СО2.

Другие исследователи считают, что будущее биото­плива — не одноклеточные водоросли, а многокле­точные. Проблема с ними опять же в их низкой усвояемости. Большая часть углеводов сухой биомассы морских водорос­лей «заперта» в форме альгината (линейного сополимера двух уроновых кислот), маннитола и гликана. Большинство про­мышленных микроорганизмов не умеют их перерабатывать.

Группа исследователей из США и Чили недавно подобрала ключи к этому кладу. Они создали генно-модифицированную кишечную палочку (Escherichia coli), способную превратить значительную часть альгината в этанол. Для этого они уда­лили семь собственных генов кишечной палочки и внедрили более двадцати генов трех других бактерий (штаммов Vibrio splendidus, Pseudoalteromona и Agrobacterium tumefaciens). Перерабатывал новый штамм ламинариевую водоросль Saccharinajaponica, она же «комбу» — съедобную, но богатую в основном пищевыми волокнами, иодом и глутаминовой кислотой. Без какой-либо дополнительной химической, температурной или ферментативной обработки субстрата автором удалось добиться концентрации спирта в среде до 5 об. % менее чем через два дня культивирования — это 80% от теоретически предсказанного выхода, рассчитанного по углеводному составу водорослей.

Подготовили

Е.Котина и Е.Сутоцкая

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>