Artsdiversitet reducerer chancerne for afgrødefejl i algebiobrændstofsystemer

Når man dyrker alger i udendørs damme som næste generations biobrændstof, en naturligt mangfoldig blanding af arter hjælper med at reducere chancen for afgrøde, ifølge en føderalt finansieret undersøgelse af forskere fra University of Michigan.

Algereduceret biorudeolie undersøges som et potentielt alternativ til vedvarende energi til fossile brændstoffer. U-M-økolog Bradley Cardinale og hans kolleger fandt ud af, at dyrkning af flere algearter i 180 akvarielignende tanke hjalp med at stabilisere produktionen af ​​biocrude og gjorde systemet mere pålideligt og effektivt.

Mens forsøget blev udført indendørs, dens resultater har relevans for udendørs dyrkning, sagde Cardinale, medforfatter af et papir, der for nylig blev offentliggjort online i tidsskriftet Miljøvidenskab og teknologi .

"Disse fund er vigtige, fordi en af ​​vores største udfordringer med at gøre algebiobrændstof til en overkommelig pris er at forbedre effektiviteten af ​​udendørs vækstdamme og forhindre nedbrud, der ødelægger afgrøder, " han sagde.

"Virksomheder bruger store mængder penge til gentagne gange at oprette disse damme. Hvis artsdiversiteten øger effektiviteten og samtidig reducerer chancen for et nedbrud, så reducerer det også omkostninger, sagde Cardinale, professor ved UM Skolen for Naturressourcer og Miljø og direktør for CILER, Cooperative Institute for Limnology and Ecosystems Research.

Overraskende nok, forskerne fandt også, at dyrkning af en blanding af algearter ikke øgede produktionen af ​​biocrude sammenlignet med arter dyrket alene som monokulturer. Faktisk, konkurrence mellem arter fik ofte blandinger til at producere mindre biocrude end hver art gjorde individuelt.

Dette fund står i kontrast til årtiers økologisk forskning, der viser, at lokalsamfund, der indeholder flere forskellige sæt planter og dyr, er, gennemsnitlig, mere produktiv og mere effektiv til at bruge ressourcer. På grund af dette tidligere arbejde, UM-algeforskerne havde antaget, at en blanding af algearter ville være mere produktiv end enkeltarter. Men det var ikke tilfældet.

"Vores resultater tyder på, at der er en grundlæggende afvejning, når der dyrkes algebiobrændsel, "sagde Anita Narwani, en tidligere U-M postdoktoral forsker på School of Natural Resources and Environment og hovedforfatter af undersøgelsen.

"Du kan dyrke enkeltartskulturer, der producerer høje udbytter, men har en høj risiko for afgrødefejl. Eller du kan bruge blandinger af arter, der producerer lavere udbytter, men som er meget mindre tilbøjelige til at gå ned og er mere bæredygtige over tid."

U-M-arbejdet blev finansieret af en $ 2 mio. fireårig bevilling fra National Science Foundation. Tildelt i juli 2013, tilskuddet betalt for en todelt undersøgelse for at identificere og teste naturligt forskellige grupper af grønalger, der kan dyrkes sammen for at skabe et højt udbytte, miljømæssigt bæredygtigt og omkostningseffektivt system til fremstilling af næste generations biobrændstoffer.

Den første fase af undersøgelsen involverede dyrkning af forskellige kombinationer af seks nordamerikanske søalgerarter i 180 akvarielignende tanke på et laboratorium i kælderen i UM's Dana Building, hjemsted for skolen for naturressourcer og miljø.

Hver 10-liters (2,2-gallon) tank indeholdt enten en to, fire eller seks arter af alger. Halvdelen af ​​tankene modtog en konstant temperatur på 71,6 grader Fahrenheit (22 C). Den anden halvdel blev tildelt en behandling med variabel temperatur for at simulere udendørs forhold. Temperaturen svingede mellem 62,6 og 80,6 F (17 og 27 C) med ugentlige intervaller.

Forsøget varede i syv uger og viste, at blandinger af algearter var, gennemsnitlig, mere stabil og pålidelig over for temperaturudsving.

Den anden fase af det NSF-finansierede projekt involverede felttestning af de mest lovende algearter og artsblandinger ved at dyrke dem udendørs i 80 glasfiberkvægtanke på universitetets E.S. George Reserve, en 1, 300 hektar stor biologisk station nær Pinckney, Mich. Det arbejde blev udført i sommeren 2016, og resultaterne analyseres nu.

I begge faser af undersøgelsen, kolleger ved UM's ingeniørhøjskole har brugt en teknik kaldet hydrotermisk flydende til at måle mængden og kvaliteten af ​​de brændbare olier, eller biocrude, produceret af de forskellige algkombinationer. De sammenligner også enkelt- og multiesystemers evne til at genbruge og genbruge affald til yderligere vækst.

Begrænset forsyning af fossilt brændstof, stigende global efterspørgsel efter energi og stigende atmosfæriske niveauer af varmefangende kuldioxidgas har for nylig bragt alger afledt biobrændstoffer i spidsen for forskningsprogrammer for vedvarende energi.

Imidlertid, en række forhindringer skal overvindes for at gøre produktion i industriel skala af algebiorudeolie gennemførlig og økonomisk konkurrencedygtig med fossil brændstofbaseret råolie. Når de dyrkes i store udendørs damme, alger lider af afgrødestabilitet på grund af variationer i sollys og temperatur, samt forstyrrelser fra skadedyr, sygdomme og andre uønskede angribere.

Det Miljøvidenskab og teknologi papir, "Planktons magt:virkninger af algernes biologiske mangfoldighed på produktion af biocrude og stabilitet, "blev offentliggjort online 9. november. Første forfatter Narwani er nu på det schweiziske føderale institut for akvatisk videnskab og teknologi. De andre forfattere, ud over Cardinale, er Aubrey Lashaway fra School of Natural Resources and Environment, David Hietala fra UM Department of Chemical Engineering, og tidligere UM ingeniørfakultetsmedlem Phillip Savage, nu ved Pennsylvania State University.

Det samme forskerhold, med tilføjelse af SNRE -postdoktorforsker Casey Godwin, havde et andet papir fra den samme undersøgelse offentliggjort 29. november i Bioresource Technology. Det viste, at når gødningen, der bruges til at dyrke alger, genbruges i tanke, der indeholder en enkelt algeart, disse monokulturer undlader ofte at vokse - eller endda dø - når de forsøger at genbruge og genbruge deres egen brugte gødning.

I modsætning, blandinger af alger overlever ikke kun på brugt gødning, men trives med at genbruge deres egne næringsstoffer, ofte vokser væsentligt mere biomasse ved at genbruge den samme gødning igen og igen.

"At kunne genbruge næringsstoffer er vigtigt, fordi gødning er dyrt, og fordi ubrugte næringsstoffer er den største kilde til forurening af vandløb, søer og oceaner, "Godwin sagde." Vores undersøgelse viser, at forskellige blandinger af alger kan reducere brug af gødning og genbruge næringsstoffer på en måde, der producerer mere biocrude. "