Крупное исследование на открытом воздухе показывает, что биоразнообразие повышает стабильность систем для получения биотоплива из водорослей

Смесь различных видов водорослей повышает стабильность, выход топливного масла и устойчивость к вторжению посторонних видов в системах для производства биотоплива. К такому выводу пришли исследователи из Мичиганского университета по итогам масштабного полевого эксперимента, финансируемого из федерального бюджета.

Ученые выращивали различные комбинации пресноводных видов водорослей в 80 искусственных прудах на территории заповедника E.S. George Reserve университета. Это первое крупное контролируемое исследование, проверяющее широко распространенную идею о том, что биоразнообразие может улучшить работу таких систем в полевых условиях. Исследователи обнаружили, что смеси видов, или поликультуры, выполняли больше ключевых функций на более высоком уровне, чем любой отдельный вид. Однако, что удивительно, поликультуры не производили больше биомассы, чем самая продуктивная монокультура.

Результаты имеют ключевое значение для проектирования устойчивых систем, так как показывают: хотя монокультура может быть оптимальным выбором для максимизации краткосрочного производства, поликультуры обеспечивают более стабильный урожай в долгосрочной перспективе. Выводы команды запланированы к публикации 18 июня в журнале Global Change Biology-Bioenergy.

Биотопливо из водорослей рассматривается как потенциальная возобновляемая альтернатива ископаемому топливу. Однако технические проблемы, связанные с выращиванием микроскопических водных растений в больших открытых прудах, замедлили прогресс. Вне лаборатории система должна поддерживать стабильный рост, несмотря на меняющиеся погодные условия, угрозу болезней и вторжение нежелательных видов.

Хотя десятилетия экологических исследований демонстрировали преимущества разнообразных сообществ, гипотеза о превосходстве поликультур водорослей ранее не тестировалась в крупномасштабных полевых условиях. При финансировании Национального научного фонда США и Энергетического института университета экологи провели двухэтапное исследование. Первая фаза включала выращивание комбинаций шести видов в лабораторных условиях, вторая — полевые испытания четырёх наиболее перспективных видов и их смесей в 290-галлонных резервуарах летом 2016 года. Коллеги из инженерного колледжа использовали метод гидротермального сжижения для преобразования водорослей в бионефть.

Анализ 10-недельного исследования показал, что использование поликультур значительно замедлило вторжение нежелательных видов; выход бионефти был значительно выше в двух- и четырёхвидовых смесях; разнообразные культуры были более стабильны во времени. Поликультуры выполняли больше функций на высоком уровне, демонстрируя свойство многофункциональности. В то же время они производили меньше биомассы, чем лучшая монокультура, и не оказали значимого влияния на масштаб и время внезапных резких спадов производства («крахов» популяции).

«Наши выводы предполагают наличие фундаментального компромисса», — отмечает руководитель исследования, профессор Брэдли Кардинале. «Вы можете выращивать одновидовые культуры, которые дают много биомассы, но нестабильны и производят меньше бионефти. Или же, если вы готовы пожертвовать частью урожая, вы можете использовать смеси видов для создания более стабильной, устойчивой к вредителям системы с более высоким выходом бионефти».

Члены той же исследовательской группы недавно опубликовали другие работы, в которых рассматривается польза биоразнообразия для минимизации использования удобрений, переработки отходов и улучшения химических свойств бионефти. «В совокупности эти результаты показывают, как применение экологических принципов может помочь в проектировании систем производства биотоплива следующего поколения», — заключил ведущий автор Кейси Годвин.