Криобиологические сосуды > Энергия и биотехнология > Водоросли и водные растения

Водоросли и водные растения


Потенциальный урожай биомассы у пресноводных и морских растений весьма велик, но чрезвычайно большое содержание воды во многих этих растениях при сборе и сложность сушки на солнце препятствуют использованию их как топлива путем пря­мого сжигания. По этой причине наиболее подходящей техноло­гией переработки водных растений и сырых отходов земледелия в топливо, корма и удобрения является анаэробная фермента­ция. Эти растения просто процветают в сточных водах. Они ус­пешно очищают воду и хорошо при этом растут. Таким обра­зом, они могут играть двойную роль: улучшать состояние окру­жающей среды и служить важным источником энергии.
В ряде стран из водяных гиацинтов получают биогаз. Их стали использовать для этой цели, поскольку растения эти ис­ключительно быстро растут, причем на поверхности воды, и их легко собирать. Можно использовать и водоросли, растущие в прудах, в которых перерабатываются сточные воды, содержа­щие органические вещества (которые загрязняют среду и/или требуют больших затрат на удаление). Такая технология осо­бенно пригодна для стран, где много солнца и к тому же неред­ко возникают проблемы переработки жидких отходов.
Саму идею использовать водоросли и бактерии в биологиче­ских системах, функционирующих за счет энергии солнечного света, нельзя считать новой, но в последнее время на нее стали обращать больше внимания. Одно из достоинств микробиологических систем заключается в том, что в зависимости от условий они могут быть или технологически сложными, или же просты­ми. Выбор наиболее подходящей системы определяется местны­ми «за и против», например соленостью и температурой. Из­бранные для культивирования виды в этом случае легко приспо­сабливаются к окружающей среде.
Многие жидкие и полутвердые отходы — идеальная среда для роста фотосинтезирующих водорослей и бактерий. При хо­роших условиях они быстро наращивают биомассу и осуществ­ляют эффективное превращение солнечной энергии (3,5%); вы­ход продукции составляет 50—80 т с гектара в год. Собранные водоросли можно прямо скармливать животным, получать из них метан или сжигать для получения электроэнергии. При этом одновременно происходит переработка отходов и очистка воды. По существующим оценкам затраты на такие системы в услови­ях Калифорнии составляют 50—75% от затрат на обычные си­стемы переработки сточных вод. Главная хозяйственная пробле­ма здесь — затраты на сбор продукции. Ее можно решить, ис­пользуя иные виды водорослей, которые легче собирать, и новые технические приемы «сбора урожая». Для полной переработки жидких стоков сегодня пытаются применять двухступенчатые водоемы с водорослями. В первом водоеме выращивают водо­росли, которые собирают путем фильтрации, во втором — азото-фиксирующие сине-зеленые водоросли (их тоже легко соби­рать) ; питательные вещества для их роста поступают из перво­го водоема. Для увеличения продуктивности можно использо­вать и промышленные отходы, включая СО2. Из собранной био­массы путем сбраживания можно получать метан (в пересчете на энергию— 1,1 МДж на килограмм водорослей), причем отхо­ды от такой переработки будут содержать практически весь азот и фосфор биомассы водорослей. Это хорошее удобрение для сельского хозяйства. Один гектар водорослевых прудов мо­жет давать удобрения для 10—50 гектаров полей.
Путем оптимизации урожаев удается получить в форме мета­на до 200 КДж с гектара в год с учетом энергозатрат и потерь при переработке. На широте 30° это соответствует годовой эф­фективности фотосинтетических процессов, равной 1,5%.
В Калифорнии средний урожай водорослей составляет более 100 кг сухого вещества с гектара в декаду. Летом он бывает в три раза больше. При урожае 50—60 т сухого вещества с гек­тара в год из него можно получать 74000 кВт/ч электроэнергии. Были сооружены водорослевые пруды объемом 10е л, в которых фотосинтез идет равномерно и с эффективностью 2—3%. При крупных предприятиях по откорму скота и птицы водоросли вы­ращивают в прудах, куда поступают отходы животноводства. Около 40% азота отходов фиксируется водорослями, которые
затем скармливают животным. В культивируемых сегодня зеле­ных водорослях содержится 50—60% белка, а в сине-зеленых, с которыми ведутся опыты, содержание экстрагируемого белка доходит до 60—70%. Водорослевые пруды, в которых перера­батываются стоки, нашли применение по меньшей мере в десяти странах, и интерес к таким системам как возможным поставщи­кам энергии и удобрений все возрастает.
Отметим, что из водорослей могут быть получены некото­рые углеводороды и редкие химические вещества. Так, у широ­ко распространенной зеленой водоросли Botryococcus braunii углеводороды в зависимости от условий роста и разновидности могут составлять до 75% сухой массы. Длина углеводородной цепи при этом варьирует от С17 до С34. Они накапливаются внут­ри клеток, и водоросли, в которых их много, плавают на по­верхности. После сбора водорослей эти углеводороды легко от­делить экстракцией каким-либо растворителем или методом деструктивной отгонки. Таким путем может быть получено ве­щество, аналогичное дизельному топливу и керосину. В. braunii широко распространены в природе; они встречаются в самых разных местах: от солоноватых озер Австралии (где высохшие остатки этих водорослей, известные под названием Coorongite, послужили в прошлом поводом для нефтяной лихорадки) до во­дохранилищ Лондона. Сходные породы, обнаруженные в других частях света, называют по месту их обнаружения (N'haugellite в Мозамбике, балхашит в Казахстане и т. п.).
Ъценки продуктивности были получены лишь для лаборатор­ных культур, выращенных в условиях постоянного освещения, и в случае непредсказуемых вспышек размножения водорослей в природных условиях. Для установления продуктивности В. braunii при массовом культивировании использовать эти оцен­ки довольно сложно. По мнению группы австралийских ученых, прежде всего нужно провести следующие исследования: 1) оп­ределить условия, обеспечивающие максимальную скорость ро­ста и образования углеводородов в лабораторных и полевых ус­ловиях; 2) на опытных установках выяснить, можно ли при ин­тенсивном выращивании добиться скорости роста В. braunii, со­измеримой с известной для других водорослей; 3) разработать соответствующие методы выращивания, сбора и переработки; 4) оценить применимость получаемого продукта как альтерна­тивного источника топлива и смазочных веществ.
В Израиле на опытных установках проводятся эксперименты с зеленой одноклеточной водорослью Dunaliella bardawil: она способна использовать солнечную энергию для синтеза глицеро-ла, важного органического соединения, широко используемого промышленностью. Dunaliella может расти и размножаться в среде с широким диапазоном содержания соли: и в воде океанов, где она невелика, и в почти насыщенных солевых растворах Мертвого моря. Она накапливает свободный глицерол, чтобы противодействовать неблагоприятному влиянию высоких кон­центраций солей в среде, где она растет. При оптимальных ус­ловиях и высоком содержании соли на долю глицерола прихо­дится до 85% сухой массы клеток. Из проведенных опытов сле­дует, что для роста этим водорослям нужна всего лишь морская вода, углекислый газ и солнечный свет. Таким образом, они яв­ляются весьма многообещающими биосинтетическими агентами для превращения энергии солнечного света в энергию химиче­ских соединений, запасаемую в молекулах глицерола.
После переработки эти водоросли можно использовать в ка­честве корма для животных, так как у них нет неперевариваемой клеточной оболочки, присущей большинству других водорослей. Кроме того, они содержат значительное количество пигмента §-каротина. Таким образом, благодаря возможности получения трех продуктов — глицерола, пигмента и белка — это опытное производство представляется вполне перспективным с экономи­ческой точки зрения, хотя точные оценки продуктивности и за­трат пока отсутствуют.
Для получения масел или углеводородов не обязательно ис­пользовать именно водоросли или культуры микроорганизмов. Подходящим сырьем для прямого получения жидкого углеводо­родного топлива являются и некоторые высшие растения.