Гигантские водоросли, крупнейшие в мире виды морских водорослей, являются привлекательным источником для производства биотоплива. В недавнем исследовании мы протестировали новую стратегию выращивания ламинарии, которая позволит производить ее непрерывно в больших масштабах. Основная идея заключается в ежедневном перемещении запасов водорослей в приповерхностные воды для получения солнечного света и в более темные воды для получения питательных веществ.
В отличие от сегодняшних энергетических культур, таких как кукуруза и соя, выращивание водорослей не требует земли, пресной воды или удобрений. А гигантские водоросли могут расти более чем на фут в день в идеальных условиях.
Келп обычно растет на мелководье у побережья и процветает только там, где много солнечного света и питательных веществ. Есть проблема: освещенный солнцем слой океана простирается примерно на 665 футов (200 метров) или меньше ниже поверхности, но эта зона часто не содержит достаточного количества питательных веществ для поддержки роста водорослей.
Большая часть поверхности открытого океана бедна питательными веществами круглый год. В прибрежных районах апвеллинг - глубинные воды поднимаются на поверхность, принося питательные вещества - носит сезонный характер. С другой стороны, более глубокие воды богаты питательными веществами, но лишены солнечного света.
Наше исследование показало, что водоросли выдерживают ежедневные изменения давления воды, когда мы перемещали их на глубине от 30 футов (9 метров) до 262 футов (80 метров). Наша культивируемая водоросль получила достаточно питательных веществ из более глубокой темной среды, чтобы произвести в четыре раза больше роста, чем водоросль, которую мы пересадили в местную прибрежную среду обитания.
Почему это важно
Производство биотоплива из наземных культур, таких как кукуруза и соевые бобы, конкурирует с другими видами использования сельскохозяйственных земель и пресной воды. Использование растений из океана может быть более устойчивым, эффективным и масштабируемым.
Морская биомасса может быть преобразована в различные формы энергии, включая этанол, для замены получаемой из кукурузы добавки, которая в настоящее время смешивается с бензином в США. органические материалы. Бионефть производится с помощью процесса, называемого гидротермальным сжижением, при котором используются температура и давление для преобразования таких материалов, как водоросли, в масла.
Эти масла можно перерабатывать на существующих нефтеперерабатывающих заводах в топливо на биологической основе для грузовых автомобилей и самолетов. Пока нецелесообразно запускать эти виды транспорта на дальние расстояния на электричестве, потому что для этого потребуются огромные батареи.
По нашим расчетам, производство водорослей в количестве, достаточном для обеспечения энергией всего транспортного сектора США, потребует использования лишь небольшой части исключительной экономической зоны США - акватории океана на расстоянии до 200 морских миль от береговой линии.
Как мы работаем
Наша работа является результатом сотрудничества между USC Wrigley Institute и Marine BioEnergy Inc., финансируемого программой Министерства энергетики США ARPA-E MARINER (Исследования макроводорослей, вдохновляющие новые энергетические ресурсы). В состав исследовательской группы входят биологи, океанографы и инженеры, работающие с аквалангистами, операторами судов, техниками-исследователями и студентами.
Мы проверили биологическую реакцию ламинарии на изменение глубины, прикрепив ее к сооружению в открытом океане, которое мы называем «подъемником ламинарии», разработанным инженерами команды. Лифт стоит на якоре возле Морского научного центра USC Wrigley на острове Каталина в Калифорнии. Лебедка на солнечных батареях ежедневно поднимает и опускает водоросли, перемещая водоросли между глубокой и мелкой водой.
Мы провели глубинный цикл 35 молодых растений ламинарии в течение трех месяцев и посадили второй набор на ближайшую здоровую грядку ламинарии для сравнения. Насколько нам известно, это была первая попытка изучить биологические эффекты физических циклов глубины на водоросли. Предыдущие исследования были сосредоточены на искусственном выкачивании глубоководной воды, богатой питательными веществами, на поверхность.
Что дальше
Наши результаты показывают, что циклирование глубины является биологически жизнеспособной стратегией культивирования. Теперь мы хотим проанализировать факторы, которые могут повысить урожайность, в том числе сроки, глубина воды и генетика водорослей.
Многие неизвестные требуют дальнейшего изучения, в том числе процессы выдачи разрешений и регулирования выращивания ламинарии, а также вероятность того, что крупномасштабное выращивание ламинарии может иметь непредвиденные экологические последствия. Но мы считаем, что энергия морской биомассы обладает большим потенциалом для решения проблем устойчивого развития 21 века.
Дайан Ким- адъюнкт-профессор экологических исследований и старший научный сотрудник Института Ригли Университета Южной Калифорнии, Колледжа литературы, искусств и наук Дорнсайфа Университета Южной Калифорнии. Игнасио Наварретe - ученый с докторской степенью и научный сотрудник Института экологических исследований Университета Южной Калифорнии Ригли, Колледжа литературы, искусств и наук Дорнсайфа Университета Южной Калифорнии. Джессика Даттон является заместителем директора по исследованиям и адъюнкт-профессором исследований в Институте экологических исследований USC Wrigley, Программа экологических исследований USC, Колледж литературы, искусств и наук USC Dornsife.