Водоросли-биореакторы. Одноклеточные организмы, живущие в океанах, могли бы стать новым чистым источником энергии

Катастрофу в Мексиканском заливе, произошедшую в апреле с.г. вследствие аварии на нефтедобывающей платформе Deepwater Horizon британской компании British Petroleum и утечки огромного количества нефти, президент США Барак Обама назвал самой страшной экологической катастрофой, с которой сталкивалась Америка. «Миллионы галлонов вытекшей в залив нефти напоминают эпидемию, с которой нам придется бороться долгие месяцы и даже годы», — сказал он. В связи с этим президент США призвал американцев объединиться вокруг новой национальной идеи — построить экологически чистое общество и напомнил о необходимости повсеместного внедрения экологических источников энергии, чтобы подобная ситуация никогда не повторилась.

Альтернативные источники энергии — ветер, морские волны и солнце — имеют свои недостатки, а ядерный синтез так и остался мертворожденным ребенком, несмотря на долгосрочную перспективу почти неограниченной энергии. Об этом пишет Филип Хантер в своей статье «Ответ нефтяному кризису», опубликованной в июльском номере британского журнала «Проспект».

В океанах, реках и прудах живет около 500 тысяч видов микроводорослей. Эти одноклеточные организмы, в отличие от более сложных растений, имеющих миллионы клеток, с высокой эффективностью преобразуют свет в энергию. В процессе фотосинтеза микроводоросли, чтобы защититься от избытка световой энергии, производят также водород. Именно это и заинтересовало исследователей США — водород можно использовать в качестве топлива и генерировать электроэнергию.

Эксперименты ученых уже показали, что клетки микроводорослей можно провоцировать давать намного больше водорода, чем они это делают обычно. Кроме того, клетки естественным образом продуцируют жиры, или липиды, которые можно перерабатывать в биодизель, то есть топливо, изготовленное из биологического сырья — заменитель обычного дизельного топлива из нефти.

Итак, вполне перспективное направление — инженерия микроводорослей для производства непосредственно биотоплива, в частности, того же биодизеля. При этом нет нужды осуществлять переработку из органических жиров в качестве промежуточного этапа. Это достигается модификацией процесса фотосинтеза для получения углеводородов — таких как бензин или дизель, соединяя воду и углекислый газ и выделяя кислород через реакцию восстановления. Это сделало бы микроводоросли потенциально эффективным источником биотоплива и, возможно, даже электроэнергии.

Крейг Вентер, известный своими успехами в расшифровке генома человека и лидер самых радикальных направлений современной генетики, в марте этого года заявил, что создал «искусственную жизнь», и определил производство биотоплива из водорослей как важное будущее применение его работы. Он считает, что появление методик, способных трансплантировать целые геномы различных видов бактерий, могло бы облегчить развитие тех штаммов водорослей, которые продуцируют водород в намного большем количестве, чем существующие виды. Исследователи установили, что водоросли теоретически способны превращать 10% солнечной энергии в биотопливо. Для сравнения — кукурузный этанол дает только 0,05%.

Водоросли можно было бы «загнать» в резервуары-биореакторы или какие-то искусственные водоемы, которые бы занимали намного меньшую территорию, чем «биотопливные» сельскохозяйственные культуры. Это спасет плодородные земли от дальнейшего их использования не по назначению — не для выращивания растений, которые идут в пищу. Майк Сиберт, исследователь Национальной лаборатории возобновляемой энергии США, посчитал, что замена всего бензина, производимого в США из кукурузного этанола, освободит земли площадью в миллион квадратных миль. Водоросли такое же количество энергии могли бы вырабатывать на площади в сто раз меньше. К тому же, в отличие от культур, которые выращивают на земле, в воде есть необходимые для процесса фосфор, азот и железо. Водоросли одновременно могли бы даже улучшать окружающую среду, поглощая тяжелые металлы из воды.

Но есть три проблемы: собирание солнечного света, переработка его в нужные топливо или форму энергии, а потом собирание и накопление этой энергии. На сегодняшний день исследования ведутся только в первых двух направлениях. Водоросли вырабатывают хлорофилл, который делает воду зеленой. Если же разводить желтые, а не зеленые водоросли, то преобразование энергии будет происходить намного эффективнее. Вместе с тем остается больше света, чтобы проникнуть глубже в воду — к клеткам, которые находятся ниже. Следовательно, больше световой энергии может использоваться для превращения ее в биотопливо.

Тем временем команда исследователей Стэнфордского университета сделала еще одно потенциально важное открытие — они показали, что к водорослям можно присоединить крохотные золотые электроды для генерирования электрического тока. «Запрячь» миллиарды таких клеток — пока что отдаленная перспектива, но человеку по силам ее приблизить, пишет автор статьи. Более реальная на сегодняшний день возможность — добывание биотоплива, а не электричества. Уже начаты несколько относительно небольших пилотных проектов — вырабатывают скромное количество энергии и топлива. Национальная лаборатория возобновляемой энергии США уже подала заявку на получение патента по биоинженерным методикам микроводорослей. Проекты «биотопливных» водорослей начаты также в Европе. В октябре 2010 года ЕС должен выделить выделить 3 млн. евро на разработку технологий получения биотоплива из водорослей.

В марте этого года Британский углеродный концерн, отвечающий за ускорение перехода к низкоуглеводной экономике, объявил о финансировании двухфазного проекта и привлекает ряд университетов к разработке производства биотоплива из водорослей в открытых прудах с морской водой. Цель проекта — доведение производства биотоплива до коммерческих масштабов к 2020 году. Первая фаза с финансированием 8 млн. фунтов предполагает фундаментальные исследования, которые бы завершились к 2012 году. Вторая (10 млн. фунтов) — тестирование производства биотоплива между 2013 и 2016 годами, после чего должно начаться полномасштабное производство.

Если хотя бы один из этих проектов воплотится в жизнь, то будущее в самом деле может стать зеленым. Или хотя бы желтым.