Энергия под микроскопом

Как можно использовать микроорганизмы для получения топлива и еды

Производство биотоплива из растений — не самый эффективный способ решения топливной проблемы. Фото: AgriLife/flickr

Нефть, которую мы сейчас используем для производства топлива, рано или поздно закончится, кроме того, ее сжигание способствует глобальному потеплению климата на планете. Поэтому ученые разрабатывают технологии, которые позволят заменить необходимое нам сырье.

Как эти технологии работают и для чего их можно использовать, «Чердаку» рассказал Зоригто Намсараев, ведущий научный сотрудник лаборатории биотехнологии и биоэнергетики Курчатовского комплекса НБИКС-технологий, НИЦ «Курчатовский институт».

— Когда закончится нефть и прочие ресурсы?

— Если мы начинаем анализировать, сколько у нам осталось такого безбедного существования, как сейчас, то цифры в годах по большинству ресурсов получатся двузначные, хотя точные оценки разнятся. Например, России экономически рентабельных запасов нефти при нынешнем уровне добычи по разным оценкам хватит на 15—30 лет. В США собственные запасы нефти могут быть исчерпаны в течение примерно 10 лет, но благодаря большим инвестициям в технологии добычи тяжелой нефти и производства биотоплива есть вероятность, что у США этого энергоресурса хватит на более длительный срок.

Сейчас технологии сильно меняются, благодаря им мы добываем все более трудные для добычи запасы и в будущем, возможно, сможем отказаться от ископаемых ресурсов. Сначала человечество добывает только те ресурсы, которые проще всего получить. Это месторождения, которые находятся относительно неглубоко, — можно воткнуть трубу, чтобы нефть пошла самотеком. Это прибыльно и легко. Когда такие месторождения заканчиваются, мы переходим на те, что залегают глубже и обходятся дороже. Например, в Арктике есть крупные месторождения, но работать там очень сложно и затратно, хотя при определенном уровне цен и развития технологий это уже становится возможным. Оценить, на сколько лет хватит таких запасов, довольно сложно.

— Чем можно заменить ископаемое топливо?

— Топливо из ископаемых источников — это продукт фотосинтеза растений и микроорганизмов сотни тысяч и миллионы лет назад. Биомасса растений была захоронена в осадках и в ходе геологических процессов, протекавших миллионы лет, была переработана в нефть. Люди могут воспроизвести этот процесс, но за гораздо более короткое время. У нас есть ресурс, который можно использовать взамен ископаемых углеводородов, — углекислый газ из воздуха. Это практически бесконечный и возобновляемый источник сырья, ведь все то топливо, которое мы сжигаем, в конечном счете снова оказывается в атмосфере.

Зоригто Намсараев, ведущий научный сотрудник лаборатории биотехнологии и биоэнергетики


Есть самые разные технологии добычи CO2 из воздуха. Перевод углекислоты из газообразного состояния в жидкие органические вещества — процесс энергозатратный. Вопрос, где эту энергию взять. Это может быть ядерная энергетика или возобновляемые источники энергии, например солнечный свет. Пока что самое простое и логичное решение — следовать природе, используя растения и фотосинтезирующие микроорганизмы, которые способны поглощать углекислый газ и накапливать его в виде биомассы.

Так как мы говорим о топливе, то нужно получать не просто абстрактную биомассу, а топливо именно в таком виде, в котором оно может использоваться уже существующими машинами, самолетами и так далее. Существуют разные технологии получения топлива из биомассы. Первое поколение биотоплива получают из продуктов сельского хозяйства, которые могут быть использованы в пищу. Например, выращивают рапс, выдавливают из него масло, затем проводят реакцию переэтерификации и получают биодизельное топливо и глицерин как побочный продукт. Сейчас эта технология очень активно используется в Европе, которая стала крупнейшим производителем биодизеля.

Альтернативный способ — это получение этанола из пшеницы, сахарного тростника или кукурузы. Такая технология используется активно в США и Бразилии. В России, на Северном Кавказе, есть одно предприятие, которое занимается получением биотоплива из пшеницы по этой технологии. Проблема технологий первого поколения в том, что они не годятся для глобального решения задачи перехода на возобновляемое топливо. Если взять всю площадь пригодной для сельского хозяйства земли и засеять ее сельскохозяйственными культурами для биотоплива, то окажется, что этой площади не хватит, чтобы удовлетворить потребности человечества в топливе. А поскольку еще и численность населения Земли растет и нужно снабжать население продуктами питания, то окажется, что земля, пригодная для сельского хозяйства, с годами будет становится все дороже. Но сельское хозяйство — это не только земля, это и удобрения, и опять же топливо — для техники. Кроме того, к проблеме еды и энергии добавляется и проблема чистой пресной воды.

Есть биотопливо второго поколения — для него используется биомасса, непригодная в пищу. Это могут быть остатки соломы от сельского хозяйства, древесина, щепа, опилки и т.д. Для России это очень интересная и перспективная технология, учитывая наши огромные лесные ресурсы. Древесные отходы могут перерабатываться химически и биологически в спирт, который может добавляться в бензин либо в углеводороды. Кстати, СССР был мировым лидером в области технологий второго поколения. В нем действовало около 50 заводов по гидролизу древесины и получению этилового спирта. Сейчас из всего этого комплекса остался только один действующий завод в Кировской области, и есть планы запуска завода в Иркутской области. Для таких заводов можно использовать древесное сырье низкого качества, и это перспективно для тех регионов, где из-за слабо контролируемых рубок произошло снижение качества лесных ресурсов. Проблема с технологиями второго поколения та же самая — низкая эффективность в пересчете на площадь и неспособность заменить ископаемое топливо в глобальном масштабе.

Нужен резкий скачок в эффективности технологий сразу на несколько порядков. Плюс эти технологии должны быть достаточно устойчивы и эффективны, чтобы их можно было использовать в условиях изменяющегося климата. Все это сильно ограничивает возможные варианты и задает очень строгие требования к новым технологиям. Поэтому список их оказывается очень коротким, и при этом эти технологии находятся на очень раннем этапе развития.

— Но такие технологии есть?

— Сейчас активно работают над технологиями получения биотоплива третьего поколения. Это фотосинтезирующие микроорганизмы. Из-за микроскопического размера и высокой скорости роста они оказываются на несколько порядков более эффективными, чем растения. Эффективность такой технологии для получения, например, биодизеля, выше, чем у традиционного сельского хозяйства, примерно в 100 раз. К тому же микроводоросли способны существовать и в морской воде, непригодной для сельского хозяйства. Микроводоросли растут достаточно быстро, накапливая в себе большое количество полезных веществ. Проблема в том, что сейчас получение биотоплива из микроводорослей экономически невыгодно в сравнении с традиционным сельским хозяйством, в котором полностью выстроена инфраструктура по выращиванию и переработке биомассы. Сейчас микроводоросли используются для получения более дорогих продуктов, чем биотопливо, — это антиоксиданты, косметика, пищевые добавки, функциональное питание, корма для аквакультуры и т.д. В этих отраслях выращивание микроводорослей экономически рентабельно. Со временем, когда будет выстроена эффективная инфраструктура, себестоимость производства микроводорослей снизится и оно станет более конкурентоспособно.

В лаборатории биотехнологии и биоэнергетики выращивают микроводоросли и микроорганизмы, способные потреблять электрический ток.


Технология следующего уровня — это электробиосинтез. Существуют микроорганизмы, способные потреблять электрический ток напрямую, используя электроны в процессах своего метаболизма благодаря так называемому внеклеточному переносу электронов. Можно засунуть в жидкость, где живут микроорганизмы, два электрода, и на одном из них будут жить микроорганизмы. Это явление было открыто совсем недавно, в 2007 году. Исследования в этой области только начинаются, но они идут очень интенсивно.

— Что можно получить с помощью таких «бактерий на электричестве»?

— С их помощью сейчас можно получать метан, уксусную кислоту. Можно просто наращивать биомассу, получая белок. Пока не существует технологии, которая бы позволяла за счет таких микроорганизмов получать какие-то сложные соединения. Но это вопрос ближайших лет. Сначала нужно найти микроб, который бы не просто потреблял электроэнергию, но делал это максимально эффективно, а затем с помощью методов генной инженерии вставлять в его генетической код нужные гены, чтобы получать необходимый продукт.

В каких природных условиях могут существовать такие микроорганизмы, какую роль они играют, про это нам известно очень мало. Когда мы начали анализировать природные геохимические реакции, в которых могло бы возникать электричество так, чтобы микробы могли его использовать, оказалось, что список этих реакций очень большой. Это означает, что таких систем в природе очень много, просто мы их еще не научились распознавать. Например, есть очень сложные системы взаимодействия между микроорганизмами с использованием электрического тока.

— Какие микроорганизмы вы выращиваете тут, в лаборатории?

— Во-первых, микроводоросли. Они производят многие полезные соединения: пищевые добавки, красители, антиоксиданты, жирные кислоты. Разнообразие таких микроводорослей очень велико, и мы стараемся подобрать те виды, которые будут получать нужные нам вещества максимально эффективно. Наши сотрудники работают с разными штаммами, смотрят, какой из них будет расти более эффективно, какое содержание нужных веществ внутри микроорганизмов и так далее.

Во-вторых, нас интересуют микроорганизмы, способные потреблять электрический ток, особенно в сочетании с фотосинтезом. Существуют микроорганизмы, которые в ходе фотосинтеза могут использовать не только восстановленные соединения, такие как сероводород или железо, но также и использовать электроны с поверхности электрода. Это очень интересное явление, возможно эволюционно очень древнее, и тут, конечно, появляется множество вопросов: например, для чего нужна микроорганизмам такая способность, когда и как она впервые появилась, в каких условиях она активируется. Кроме того, это интересно и с практической точки зрения, так как электроэнергия — это самый удобный вид энергии, находящийся в распоряжении человечества, и технологии, позволяющие комбинировать электроэнергию и живые организмы, очень интересны для практического применения.
Теги:

Читать еще на Чердаке: