ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
ENERGY OF BIOMASS
Статья поступила в редакцию 30.04.14. Ред. per. № 1994
The article has entered in publishing office 30.04.14. Ed. reg. No. 1994
УДК 620.95:504.7
ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИОТОПЛИВА ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ: ВОЗДЕЙСТВИЕ СТРЕССОРОВ НА НАКОПЛЕНИЕ НЕЙТРАЛЬНЫЕ ЛИПИДОВ В СИНЕ-ЗЕЛЕНЫ1Х ВОДОРОСЛЯХ
(ЦИАНОБАКТЕРИЯХ)
Н.И. Чернова, С.В. Киселева, С.И. Зайцев
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова 119991 Москва, Ленинские горы, д.1, географический факультет, НИЛ ВИЭ chernova_nadegda@mail.ru
Заключение совета рецензентов 06.05.14 Заключение совета экспертов 14.05.14 Принято к публикации 21.05.14
Методы поиска новых нетрадиционных источников непищевого возобновляемого сырья для биотоплива третьего поколения на основе биомассы микроводорослей являются предметом рассмотрения в данной статье. Представлены результаты апробации метода скрининга липидосодержащих микроводорослей/цианобактерий на основе окрашивания клеток флуоресцентным красителем Нильским красным. Исследовано воздействие повышенной и пониженной инсоляции, субоптимальных температур и лимитирования азота и фосфора в питательных средах на содержание липидов в клетках клоновых культур A.platensis: шт.геехши 1/02-П и шт. rsemsu 1/02-Т. Показано, что исследуемые культуры под влиянием стрессоров могут аккумулировать в клетках нейтральные липиды до промышленно значимых количеств. Поскольку артроспира массово культивируется дешевым открытым способом без контаминации другими видами, отличается легкостью сбора урожая, ее можно рассматривать как перспективный источник сырья для производства биотоплива третьего и четвертого поколений, а также в сельском хозяйстве, фармацевтике, производстве биологически активных пищевых и кормовых добавок.
Ключевые слова: биоэнергетика, альгология, микроводоросли, цианобактерии, открытые и закрытые фотобиореакторы, биотопливо, биодизель, липиды, триацилглицериды, флуоресцентный краситель Нильский красный.
THIRD-GENERATION BIOFUEL: THE EFFECTS OF STRESSORS ON THE ACCUMULATION OF NEUTRAL LIPIDS IN BLUE-GREEN ALGAE
(CYANOBACTERIA)
N.I. Chernova, S. V. Kiseleva, S.I. Zaytsev
Renewable Energy Sources Laboratory Geographical Faculty of Lomonosov Moscow State University 1 Leninskiye Gory, Moscow, 119991
Referred 06.05.14 Expertise 14.05.14 Accepted 21.05.14
Methods of search for new non-traditional sources of non-food renewable raw materials for biofuel third generation based on biomass of microalgae are the topic of this article. The results of testing of a screening lipid-containing microalgae / cyanobac-teria based on staining with the fluorescent dye Nile red are presented. The effect of high and low light intensity, suboptimal temperatures and nitrogen and phosphorus starvation in the nutrient media on lipid content in the cells of selected clonal cultures A. platensis1/02-P and 1/02-T has been studied. It is shown, that the studied culture under the influence of stressors can accumulate in the cells of neutral lipids to commercially significant quantities. Since artrospira massively cultivated cheap open way without contamination of other species, characterized by its ease of harvest, it can be regarded as a promising source of raw material for the production of biofuel third and fourth generations , as well as in agriculture, pharmaceuticals, biologically active food and feed additives.
Key words: bioenergy, algology, rides, fluorescent dye Nile red.
microalgae, cyanobacteria, open and closed photobioreactors, biofuel, biodiesel, lipids, triacylglyce-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (152) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Чернова Надежда Ивановна
Сведения об авторе: ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии (НИЛ ВИЭ) географического ф-та МГУ имени М.В. Ломоносова, к.б.н.
Образование: биолого-почвенный факультет МГУ имени М.В. Ломоносова.
Область научных интересов: биоконверсия солнечной энергии; водорослевая энергетика: скрининг микроводорослей и цианобактерий для их промышленного культивирования.
Публикации: более 100, в том числе патенты на изобретения.
Киселева Софья Валентиновна
Сведения об авторе: ведущий научный сотрудник НИЛ ВИЭ географического ф-та МГУ имени М.В. Ломоносова, к. ф.-м. наук.
Образование: физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова.
Область научных интересов: оценка ресурсов возобновляемой энергетики, применение геоинформационных технологий в энергетике; лабораторное моделирование динамических процессов в океане.
Публикации: более 100, в том числе патенты на изобретения.
Зайцев Сергей Иванович
Сведения об авторе: ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии (НИЛ ВИЭ) географического ф-та МГУ имени М.В. Ломоносова, к. ф.-м. н.
Образование: физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова.
Область научных интересов: возобновляемая энергетика, в т.ч. установки солнечной энергетики и фотобиореакторы; лабораторное моделирование геофизических процессов в океане.
Публикации: более 80, в том числе патенты на изобретения.
Введение
Фотосинтезирующие микроорганизмы, в частности микроводоросли, являются объектом фотобиотехнологии. Повышенный интерес к биотехнологиям с применением микроводорослей и цианобактерий обусловлен использованием их биомассы не только для конверсии солнечной энергии в различные энергоносители, но и для получения биологически активных пищевых и кормовых добавок, ценных вторичных метаболитов, обладающих антивирусным, антибактериальным, противогрибковым, противомалярийным, противоопухолевым и противовоспалительными свойствами и имеющих терапевтическое, промышленное и сельскохозяйственное значение. В настоящее время масличные водоросли являются наиболее популярными в области микробного биотоплива из-за их способности производить значительные объемы триацилглицеридов (ТАГ). Топливо, производимое из водорослей, относят к биотопливу третьего (водоросли, специально выращиваемые для энергетических целей) и четвертого поколений (генетически модифицированные водоросли, конвертирующие С02 непосредственно в топливо). Научно-исследовательские работы авторов были направлены на разработку и апробацию крупномасштабных способов культивирования микроводорослей (МКВ), а также переработку микроводорослевой биомассы в удобные для использования виды сырья. 0бъектом исследования
были представители зеленых и сине-зеленых МКВ: хлорелла, дуналиелла и спирулина [1, 2, 3, 4, 5].
В связи с уникальностью компонентов биомассы изучалось применение МКВ спирулины/артроспиры в качестве биологически активных пищевых и кормовых добавок: были проведены испытания спирулины в качестве кормовой добавки в птицеводстве, животноводстве и звероводстве, разработаны методические рекомендации по ее применению и получены 3 патента РФ [6, 7, 8, 9]. Были разработаны теоретические подходы и созданы лабораторные модели интегрированных систем, в которых водоросли выступали в качестве: 1) источника метана и углекислого газа; 2) шлама, служащего удобрением и биостимулятором для растений; 3) пищевой и кормовой добавки [10, 11,12]. Объектом наших исследований были представители зеленых и сине-зеленых микроводорослей: хлорелла, дуналиелла и спирулина/артроспира.
В последние годы основным направлением научно-исследовательских работ авторов стал поиск новых нетрадиционных источников непищевого возобновляемого сырья для биотоплива третьего поколения на основе биомассы МКВ. С этой целью проводился скрининг МКВ, находящихся в коллекциях и выделенных из природных образцов [1, 13, 14, 15]. Такой интерес к микроводорослям обусловлен тем, что они удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к растительному энергетическому сырью, а по своей естественной биопродуктивности и энергосодержанию в десятки
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (152) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
раз превышают традиционно используемые для этих целей сельскохозяйственные растения. Традиционно с микроводорослями связывали получение пере-этерификацией из содержащихся в них липидов биодизельного топлива. В настоящее время разработаны новые технологии получения из липидосодержащей биомассы топлива для военно-морского флота и авиации.
0пределяющим фактором использования водорослей в энергетических целях является высокое содержание в них неполярных липидов, в основном триацилглицеридов (ТАГ), являющихся лучшим источником для получения биотоплива, - и возможность управлять их накоплением путем изменения условий культивирования. 0бщее содержание липидов в микроводорослях обычно варьирует от 1-85% сухого веса, причем выше 40% обычно получается в условиях дефицита биогенов [16]. Такие факторы, как освещение, температура также оказывают влияние на липидное содержание и липидную композицию во многих водорослях [17, 18].
0днако внедрение перспективных штаммов-продуцентов липидов в производство биотоплива осложняется следующим известным обстоятельством: одновременное достижение высокой продуктивности по биомассе и по липидам при культивировании микроводорослей невозможно. Индукция биосинтеза и аккумулирования липидов может быть достигнута путем создания физиологического стресса: лимитирование или голодание по азоту и/или фосфору; максимальные или минимальные значения интенсивности светового потока, рН; температурный режим; облучение ультрафиолетом; воздействие тяжелых металлов и других химических веществ; осмотический стресс и др. 0дним из возможных путей максимального накопления биомассы микроводорослей с оптимальным содержанием липидов является проведение культивирования в две стадии [1, 5, 19, 20]. Первая стадия включает в себя максимальное накопление биомассы в оптимальных условиях роста. На второй стадии культивирования микроводорослей осуществляется перевод полученной биомассы в стрессовые условия для индукции синтеза и аккумулирования липидов.
В настоящее время одним из наиболее известных и культивируемых дешев
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.