Грибково-бактериальный консорциум превращает стебли и листья кукурузы в улучшенное биотопливо

Грибок Trichoderma reesei и бактерии Escherichia coli объединили усилия для превращения жёстких растительных отходов в изобутанол — биотопливо, чьи свойства лучше соответствуют бензину, чем у этанола.

Исследователи из Мичиганского университета заявили, что этот принцип также можно использовать для производства других ценных химических веществ, например, пластиков.

Галлон за галлоном, при сгорании изобутанол выделяет 82% тепловой энергии по сравнению с бензином, тогда как этанол — только 67%. Этанол также склонен поглощать воду, вызывая коррозию трубопроводов и повреждение двигателей, а изобутанол плохо смешивается с водой. В то время как этанол сегодня служит добавкой к бензину, многие исследователи утверждают, что изобутанол мог бы стать его заменой.

Не менее важно, что эта система производит изобутанол из несъедобного растительного материала, поэтому производство топлива не приведёт к росту цен на продукты. Команда использовала стебли и листья кукурузы, но их экосистема также должна быть способна перерабатывать другие сельскохозяйственные побочные продукты и отходы лесного хозяйства.

Грибок T. reesei уже хорошо расщепляет жёсткий растительный материал на сахара. E. coli, в свою очередь, относительно легко генетически модифицировать. Лаборатория Джеймса Ляо в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе предоставила бактерии E. coli, сконструированные для преобразования сахаров в изобутанол.

Исследователи поместили оба вида микробов в биореактор и добавили стебли и листья кукурузы, предварительно обработанные для лучшего усвоения.

Грибки превратили сырьё в сахара, которые питали оба вида микробов, с достаточным остатком для производства изобутанола. Команде удалось получить 1,88 грамма изобутанола на литр жидкости в экосистеме — это самая высокая концентрация, зарегистрированная на сегодня для превращения жёстких растительных материалов в биотопливо. Они также преобразовали в изобутанол большую долю энергии, запасённой в стеблях и листьях кукурузы — 62% от теоретического максимума.

Гармоничное сосуществование грибков и бактерий со стабильными популяциями стало ключевым успехом эксперимента.

Команда использовала теорию игр для анализа взаимоотношений между грибками и бактериями. Расщепление целлюлозы на сахар — тяжёлая работа, поэтому склонность T. reesei делать это и делиться результатами делает его «кооператором». Между тем, E. coli используют сахара, не предлагая грибку ничего взамен, что делает их «обманщиками».

Тем не менее, бактерии не захватили колонию, потому что грибки производят сахара рядом со своими клеточными мембранами, что даёт им первыми использовать эти сахара. Исследователи могут контролировать преимущество E. coli, регулируя скорость роста бактерий.

Сейчас исследователи пытаются улучшить коэффициент преобразования энергии и повысить устойчивость T. reesei и E. coli к изобутанолу. Топливо токсично, но более высокие концентрации снизят стоимость его выделения.

Более того, по-разному модифицируя бактерии, они полагают, что их система сможет устойчивым способом производить различные химические вещества на основе нефти.