Чистый способ получения энергии: микробы для биотоплива
Микроорганизмы, такие как водоросли и цианобактерии, накапливают липиды, которые можно преобразовать в возобновляемое биотопливо. Это альтернатива нефтяному топливу и биотопливу, требующему пахотных земель.
Цианобактерии способны производить около 15 000 галлонов биотоплива с акра — примерно в 100 раз больше, чем растения (кукуруза, просо) — и для роста им нужны лишь простые питательные вещества, солнечный свет и CO2.
Однако извлечение клеточных компонентов для биотоплива до сих пор было экономически и экологически дорогим из-за крайней токсичности традиционно используемых химикатов.
Исследователь Цзе Шэн и коллеги из Института Biodesign Университета Аризоны под руководством Брюса Риттмана ищут менее вредные методы экстракции липидов. Их результаты опубликованы в журнале Bioresource Technology.
Преимущества цианобактерий
- Генетическая простота: Используемый штамм Synechocystis полностью секвенирован, что позволяет легко его модифицировать для оптимизации производства липидов.
- Условия роста: В отличие от водорослей, которым для максимизации выхода липидов нужен стресс, цианобактерии лучше всего культивировать в оптимальных условиях, сочетая высокую плотность липидов с высокой скоростью роста биомассы.
Проблема экстракции
Для сбора липидов необходимо разрушить прочную защитную мембрану клетки. Золотым стандартом с 1950-х годов остается метод Фолча, использующий метанол и хлороформ (токсичный и потенциально канцерогенный химикат категории B2 по классификации EPA США), что неприемлемо для крупномасштабного производства.
Альтернативные, менее токсичные химикаты (этанол, изопропанол, бутанол, МТБЭ, уксусноэтиловый эфир, гексан и их комбинации) успешно применялись для водорослей, но их эффективность для цианобактерий с более прочной мембраной и особым составом липидов была под вопросом.
Результаты исследования
Эксперименты подтвердили, что методы Фолча и Блая-Дайера наиболее эффективны для экстракции липидов из Synechocystis. Электронная микроскопия показала эффективное проникновение в мембрану и высокую специфичность извлечения.
При этом комбинация метанола и МТБЭ показала сопоставимо высокую эффективность в проникновении в клетку и восстановлении липидов. Этот метод позволяет снизить количество метанола и полностью исключить хлороформ, что может уменьшить токсичность и воздействие на окружающую среду.
Перспективы
Текущие исследования, поддержанные Министерством энергетики США, направлены на:
- Изучение мутантных штаммов Synechocystis с более высоким выходом липидов.
- Генетическую модификацию бактерий для прямой секреции через клеточную стенку жирных кислот — части липидов, идущей на биотопливо.
Эти усилия помогают продвигать производство биотоплива от лабораторных исследований к коммерциализации.