Stor udendørs undersøgelse viser, at biodiversitet forbedrer stabiliteten af ​​algebiobrændstofsystemer

En mangfoldig blanding af arter forbedrer stabiliteten og brændselsolieudbyttet af algebiobrændstofsystemer, såvel som deres modstand mod invasion fra udenforstående, ifølge resultaterne af en føderalt finansieret udendørs undersøgelse foretaget af forskere fra University of Michigan.

U-M-forskere dyrkede forskellige kombinationer af ferskvandsalgearter i 80 kunstige damme ved U-M's E.S. George Reserve nær Pinckney i den første storstilede, kontrolleret eksperiment for at teste den udbredte idé om, at biodiversitet kan forbedre ydeevnen af ​​algebiobrændstofsystemer i marken.

Samlet set, forskerne fandt ud af, at forskellige blandinger af algearter, kendt som polykulturer, udførte flere nøglefunktioner på højere niveauer end nogen enkelt art - de var bedre til at multitasking. Men overraskende nok, forskerne fandt også ud af, at polykulturer ikke producerede mere algemasse, kendt som biomasse, end den mest produktive enkeltart, eller monokultur.

"Resultaterne er nøglen til design af bæredygtige biobrændstofsystemer, fordi de viser, at mens en monokultur kan være det optimale valg til at maksimere kortsigtet algeproduktion, polykulturer tilbyder en mere stabil afgrøde over længere perioder, " sagde studielederforfatter Casey Godwin, postdoc ved U-M's Skole for Miljø og Bæredygtighed.

Holdets resultater er planlagt til offentliggørelse den 18. juni i tidsskriftet Global Change Biology-Bioenergi .

Algeafledt bioråolie bliver undersøgt som et potentielt vedvarende energialternativ til fossile brændstoffer. Fordi de vokser hurtigt og kan omdannes til bioolie, alger har potentialet til at generere mere brændstof fra mindre overfladeareal end afgrøder som majs. Men de tekniske udfordringer, der er forbundet med at dyrke enorme mængder af disse mikroskopiske vandplanter i store udendørs kulturdamme, har bremset fremskridtene hen imod dyrkning i kommerciel skala.

Udenfor - langt fra laboratoriets kontrollerede forhold - skal et algebiobrændstofdyrkningssystem holde stabilt, stabil vækst af brændstofklare alger i lyset af svingende vejrforhold, truslen om befolkningsnedbrud forårsaget af sygdomme og skadedyr, og invasion af generende algearter.

Årtiers økologisk forskning har vist, at plante- og dyresamfund, der indeholder en rig blanding af arter, gennemsnitlig, mere produktive end mindre mangfoldige samfund, mere stabil i forhold til miljøudsving, og mere modstandsdygtig over for skadedyr og sygdomme.

Men ideen om, at algepolykulturer kan udkonkurrere monokulturer, var aldrig blevet grundigt testet under store feltforhold. Med finansiering fra National Science Foundation og U-M Energy Institute, U-M økolog Bradley Cardinale og hans kolleger satte sig for at teste denne hypotese, ved hjælp af en todelt undersøgelse.

Den første fase involverede dyrkning af forskellige kombinationer af seks nordamerikanske søalgearter i 180 akvarie-lignende tanke i kælderen i Dana-bygningen på UM's Ann Arbor-campus. Alle seks arter er almindeligt anvendt i biobrændstofsystemer.

Den anden fase involverede felttestning af de fire mest lovende algearter og artsblandinger ved at dyrke dem udendørs i 290 gallon kvægtanke ved 1, 300-acre U-M reserve. Det arbejde blev udført i sommeren 2016 og førte til det kommende Global Change Biology-Bioenergi papir.

I begge faser af undersøgelsen kolleger ved U-M College of Engineering brugte en teknik kaldet hydrotermisk fortætning til at omdanne algerne til brændbare olier, eller bioråolie, som kan raffineres til at lave transportbrændstoffer som biodiesel.

"Først evaluerede vi forskellige kombinationer af alger i laboratoriet, og så bragte vi de bedste ud i naturen, hvor de var udsat for svingende vejrforhold, skadedyr, sygdom og alle de andre faktorer, der har plaget algebaseret brændstofforskningsindsats i 40 år, " sagde Godwin.

I deres analyse af algeprøverne indsamlet i løbet af den 10-ugers E.S. George Reserve undersøgelse, forskere sammenlignede monokulturers og polykulturers evne til at udføre flere opgaver på én gang:at dyrke masser af algebiomasse, at give bioråolie af høj kvalitet, at forblive stabil gennem tiden, at modstå befolkningsnedbrud og at afvise invasioner af uønskede algearter.

Deres analyse viste, at brugen af ​​polykulturer betydeligt forsinkede invasion af uønskede arter af alger; at biocrude-udbyttet var væsentligt højere i to- og fire-arter polykulturerne end i monokulturerne; og at forskellige afgrøder af alger var mere stabile over tid.

Og mens monokulturer havde en tendens til at være gode til et eller to job ad gangen, polykulturer udførte flere af jobs på højere niveauer end nogen af ​​monokulturerne, en egenskab kaldet multifunktionalitet.

Men samtidig, polykulturer producerede mindre biomasse end den bedst ydende monokultur. Og brugen af ​​polykulturer havde ingen signifikant effekt på størrelsen og timingen af ​​pludselige, kraftige fald i algeproduktionen kendt som befolkningsnedbrud.

"Vores resultater tyder på, at der er en fundamental afvejning, når man dyrker algebiobrændstof, " sagde Cardinale, professor ved U-M Skolen for Miljø og Bæredygtighed.

"Du kan dyrke enkeltartsafgrøder, der producerer store mængder biomasse, men som er ustabile og producerer mindre bioråolie. Eller, hvis du er villig til at give afkald på noget udbytte, du kan bruge blandinger af arter til at producere et biobrændstofsystem, der er mere stabilt over tid, mere modstandsdygtig over for skadedyrsarter, og som giver mere bioråolie."

Forfattere af Global forandringsbiologi papir, foruden Godwin og Cardinale, er U-M's Aubrey Lashaway og David Hietala, og Phillip Savage fra Pennsylvania State University.

Medlemmer af det samme forskerhold har offentliggjort andre nyere artikler, der undersøger fordelene ved diversitet i algebiobrændstofsystemer for at minimere brugen af ​​gødning, genbrug af affald, og forbedring af bioråolies kemiske egenskaber.

"Tilsammen disse resultater viser, hvordan anvendelse af principper fra økologi kan hjælpe med udformningen af ​​næste generation af vedvarende brændstofsystemer, " sagde Godwin.