Водоросли как пища и как топливо

Водоросли в системе живых организмов

Начиная разговор о водорослях и их ценности для энергетики, нельзя не упомянуть, что вся энергия на Земле, за исключением приливной и геотермальной, является прямой или трансформированной энергией солнечных лучей.

Нагревание Солнцем поверхности суши приводит к движению воздуха, что создаёт ветряную энергию. В свою очередь, ветер на поверхности океана создаёт волновую энергию. Нагревание Солнцем водной поверхности ведёт к испарению воды и создаёт круговорот воды в природе, без которого не было бы энергии движущейся воды.

Наконец, без Солнца невозможны жизнь, прирост биомассы и биоэнергия. Более того, нефть, газ, уголь, торф — всё это именно биомасса, в различной степени трансформированная, и тоже производная от солнечной энергии.

Что касается водорослей, то эта группа живых организмов создаёт, без преувеличения, фундамент жизни на Земле, непосредственно используя солнечную энергию для роста.

Водоросли (лат. Algae) в обиходном понимании — это растения, связанные с водной средой обитания, что, однако, не всегда так. Водоросли — весьма неоднородная совокупность. Не все водоросли живут только в воде, равно как и не все водные растения относят к водорослям.

Живые организмы классифицируются различными способами. Принятая в настоящее время классификация включает два крупнейших подразделения (таксона) или две империи живых организмов:

1. Вирусы — доклеточные организмы.

2. Клеточные организмы. Клеточные организмы разбиваются на два основных таксона менее высокого порядка (надцарства или домена):

1. Прокариоты — организмы без выраженного ограниченного мембраной клеточного ядра.

2. Эукариоты — организмы с клеточным ядром.

Прокариоты включают в себя два царства организмов — археи или архебактерии и бактерии или эубактерии. Эукариоты — более обширная группа живых организмов, включающая уже известные царства грибов, растений и животных.

Организмы, объединяемые понятием «водоросли», находятся почти на всех ступенях таксономической лестницы клеточных организмов — от бактерий до растений (табл. 1) — и включают две основные группы: прокариотические водоросли — царство в домене прокариот, включающее подцарства (по другой классификации — отделы) сине-зелёных и прохлорофитовых водорослей; настоящие водоросли — подцарство в царстве растений, включающее ряд отделов.

Интересно, что таксономическое положение прокариотических сине-зелёных водорослей остаётся дискуссионным вопросом. Микробиологи Роже Стениер и Корнелис Ван Ниль, сформулировавшие теорию деления живых организмов на два глобальных домена — прокариоты и эукариоты, предложили считать термины «прокариот» и «бактерия» эквивалентными. С этого момента синезелёные водоросли классифицируются двояко — как бактерии (цианобактерии) и как растения, будучи фотосинтезирующими организмами. Кроме того, все клеточные живые организмы можно разбить на одноклеточные (простейшие, низшие, протисты) и многоклеточные (высшие) и выстроить классификацию на этой основе, выделяя простейших в отдельное царство. Среди водорослей есть и одноклеточные, и многоклеточные, а также колониальные организмы, образующие систему взаимосвязанных клеток.

Размеры водорослей варьируются в широком диапазоне — от 0,5–1 мкм (10–6 м) у ряда цианобактерий до десятков метров у некоторых растительных форм водорослей. Водоросли живут как в морских, так и в пресных водах, а также в почве.

Общим свойством зелёных растений и водорослей, в том числе прокариотических, является способность к фотосинтезу или преобразованию электромагнитной энергии солнечных лучей в энергию химических связей органических веществ, осуществляемому на свету благодаря наличию фотосинтезирующих пигментов — хлорофиллу у растений, бактериохлорофилла и бактериородопсина у прокариот.

Реакция фотосинтеза — трансформация углекислого газа и воды в глюкозу и кислород — выглядит так:

Для зелёных растений и водорослей фотосинтез является источником питания и роста. В свою очередь, именно фотосинтезирующим организмам мы обязаны появлением и сохранением пригодной для дыхания атмосферы.

Фотосинтезирующие организмы принадлежат разряду автотрофных, использующих для питания непосредственно неорганическое вещество, преобразуемое ими в органическое. Остальные организмы, в том числе животные и человек, — гетеротрофные, неспособные синтезировать органическое вещество из неорганического. Для них, в свою очередь, автотрофы создают необходимую кормовую базу и являются источником физического существования. Таким образом, водоросли относятся к организмам, с одной стороны, обязанным своим существованием непосредственно Солнцу, с другой — являющимся основой всей остальной органической жизни на Земле.

В связи с этим необходимо рассмотреть ключевые количественные показатели — объём и прирост биомассы растений и водорослей. Биомасса Земли в целом оценивается в 1,3 трлн тонн, из которых на фитомассу (растения) приходится более 1,2 трлн тонн, или более 95 % всей земной биомассы (табл. 2).

Отметим, что если в категориях биомассы рассматривать человека и население Земли, то она при населении около 7 млрд человек составит величину порядка 300 млн тонн — примерно 1/3000 или 0,03 % от всей земной биомассы и около 1 % от всей зоомассы.

При этом ежегодный прирост биомассы составляет 17 % от общей её величины или около 220 млрд тонн, в том числе океанической биомассы — более 87 млрд тонн.

Наиболее высокие скорости размножения и, соответственно, прироста биомассы характерны для мельчайших организмов, к числу которых относится и большая часть водорослей. В частности, только биомасса фитопланктона (плавучих морских водорослей) в Мировом океане оценивается (в сыром весе) в 1,5 млрд тонн, а его годовой прирост — в 550 млрд тонн. Иными словами, за год масса водорослей способна вырасти в 350 раз. По некоторым оценкам, на водоросли приходится 2/3 всей биомассы Земли. Точные же подсчёты в данном случае вряд ли возможны.

С наибольшей скоростью размножаются мельчайшие одноклеточные водоросли или микроводоросли — промежутки времени между делениями клеток в благоприятных условиях могут сокращаться до 20 минут и даже меньше. В этом случае всего за сутки одна клетка теоретически может дать примерно 5 × 1021 потомков. При массе одной клетки около 665 фемтограмм (6,65 × 10–16 кг или 6,65 × 10–13 г) их общая масса в течение суток превысит 100 тонн, а величина, равная всей нынешней биомассе Земли, будет достигнута ещё 12 часов спустя. Даже в реальных, а не идеальных условиях высокая скорость размножения водорослей, покрывающих поверхности водоёмов, хорошо известна, а при выращивании в пруду микроводоросль спирулина (Spirulina), как показывает практика, удваивает свою биомассу каждые двапять дней.

Водоросли как пища и как топливо

Благодаря столь огромному потенциалу размножения — при этом за счёт почти исключительно солнечной энергии и воды, без потребления органических веществ! — микроводоросли ещё несколько десятилетий назад стали объектом пристального внимания и исследований возможности использования в качестве пищевого и энергетического продукта.

Перспектива культивирования водорослей с ежегодным сбором десятков и сотен тонн биомассы с 1 га водной поверхности — в разы и даже на порядки больше, чем урожайность любой известной сельскохозяйственной культуры, и без существенных затрат — не могла не выглядеть крайне заманчивой.

Первоначальным было пищевое использование водорослей, имеющее давнюю историю. В частности, известно, что ацтеки, инки, а также народы Центральной и Восточной Африки, живущие в районах озера Чад и Великой рифтовой долины, употребляли в пищу лепёшки из высушенной спирулины.

В связи с этим, начиная с 1960-х годов в мире появляется интерес к водорослям (большей частью, к спирулине), прежде всего как пище — и для животных, и для человека. Был также обнаружен ряд полезных свойств водорослей, связанных с укреплением иммунитета, профилактикой и лечением ряда заболеваний, повышением продуктивности домашнего скота и сельскохозяйственных культур.

Во второй половине 1970-х годов спирулина в виде порошка или капсул появилась на мировых продовольственных рынках, где она презентовалась в качестве нового естественного продукта — энергетической натуральной пищевой добавки с высоким содержанием белка, то есть «пищи будущего».

В США предприятия по выращиванию микроводорослей в искусственных прудах, работающие в экспериментальном режиме, были созданы в 1977 году. Первые пруды появились в пустынной местности в графстве Имперская долина (Imperial Valley) на юго-востоке штата Калифорния. Условия там благоприятны благодаря сочетанию тёплой и солнечной погоды с возможностью подачи воды из реки Колорадо.

Параллельно выращиванием водорослей занялась Япония, далее в процесс включились предприятия в Индии, Китае, Таиланде, Тайване и Мексике.

В течение 1980-х годов и первой половины 1990-х годов производство микроводорослей в мире выросло до 1000 тонн. К концу 2000-х годов мировые объёмы производства микроводорослей, включая спирулину, хлореллу (chlorella), дуналиеллу (dunaliella), хематококкус (haematoccocus), достигли 10 тыс. тонн в сухом весе.

Почти в это же время, в 1980–1990-е годы, в СССР и России начали исследование и культивирование спирулины в пищевых целях, для использования в качестве биодобавок, как в пищу человеку, так и в корм для скота и птицы.

В этих работах активное участие принимали также и сотрудники Научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии (НИЛВИЭ) географического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова. Был установлен положительный эффект использования спирулины, в частности, в качестве пищевых добавок для птицы. В настоящее время в России существуют отдельные небольшие производства спирулины.

Что касается возможностей непосредственно энергетического использования водорослей — для получения биотоплива, то активные исследования в этом направлении начались также в 1960–1970-е годы. Лидерами в этих изысканиях стали, в частности, Французский институт нефти (Institut francais du petrole, IFP) и Национальная лаборатория возобновляемой энергии (National Renewable Energy Laboratory, NREL) Министерства энергетики США (Department of Energy, DoE).

NREL в 1978 году начала программу исследования возможностей получения топлива из микроводорослей Aquatic Species Program (буквально — Программа водных видов или водной флоры). Она была свёрнута к 1996 году, когда обнаружилось, что биотопливо из водорослей будет слишком дорогим по сравнению с ископаемыми углеводородами, однако в 2010 году было объявлено о возобновлении исследований в связи с нестабильностью цен на нефть и ростом требований к энергетической безопасности, экологической чистоте и снижению эмиссии парниковых газов.

В последние несколько лет биотопливо из водорослей получают и используют в экспериментальном режиме.

Параллельно исследования в этом направлении проходили в СССР, в том числе в НИЛВИЭ. В частности, в 1989–2002 годах лаборатория проводила исследования биопродуктивности и возможностей использования микроводорослей в качестве источника энергии, для получения биогаза и жидкого биотоплива, на базе экспериментального полигона Морского гидрофизического института АН УССР на южном берегу Крыму у посёлка Кацивели. Сотрудниками лаборатории была разработана и сконструирована система «Биосоляр», предназначенная для выращивания микроводорослей — фотосинтезирующие блоки или биогенераторы, с размещением в море и на суше, общей площадью несколько сотен квадратных метров.

В качестве объекта эксперимента была выбрана микроводоросль спирулина платенсис (Spirulina platensis), также называемая артоспира (Arthospira platensis). Одной из особенностей эксперимента была постепенная адаптация вида (в естественных условиях спирулина живёт в пресноводных субтропических и тропических водоёмах) к морской воде Чёрного моря. Опыты показали достаточно высокую продуктивность — годовой выход биомассы с каждого блока водорослевой плантации площадью 70 м2 достигал одной тонны. Экстраполируя — это более 140 тонн с 1 га, хотя достижение такого результата на больших площадях в российских условиях — отдельная задача.

Кроме того, исходное сырьё для получения биотоплива — липиды (жиры), содержание которых в разных видах различно. Спирулина обладает высокой долей белка — около 60 % сухой массы, что в числе прочего делает её ценным пищевым продуктом. В то же время содержание липидов — всего 7 %. Для сравнения, в семенах рапса и подсолнечника на липиды приходится 30–60 % массы, в семенах сои и кукурузы — 15–25 % и выше, в плодах масличной пальмы — 45–70 %. Именно эти культуры в настоящее время используются в качестве основного сырья для производства биотоплива. Поэтому идёт работа с микроводорослями, имеющими более высокое содержание липидов, пока носящая и в нашей стране (включая НИЛВИЭ), и в мире главным образом экспериментальный характер.

Водоросли как источник энергии – преимущества и недостатки

Итак, микроводоросли очень высокопродуктивны. Урожай с одного гектара теоретически может ежемесячно достигать тонн и даже десятков тонн в сухом весе, что в разы и даже на порядки выше, чем у традиционных сельскохозяйственных культур. При этом содержание липидов у ряда видов, таких как ботриококкус брауни (Botryococcus braunii), дуналиелла (Dunaliella), наннохлорис (Nannochloris), стихококкус (Stichococcus) в оптимальных условиях может достигать 80 %. Таким образом, теоретически возможный выход биотоплива в десятки и даже сотни раз выше, чем у используемых в настоящее время масличных культур (табл. 3).

При этом можно избежать конфликта с продовольственно-ориентированным использованием сельскохозяйственных земель. Плантации микроводорослей могут располагаться в естественных и искусственных водоёмах, на неудобных и неиспользуемых землях и морских акваториях, при этом занимая существенно меньшие площади.

Наконец, выращивание традиционных сельскохозяйственных культур на суше сопряжено с большим объёмом выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ. На фоне этого культивирование водорослей выглядит экологически абсолютно безопасным, более того, увеличивающим поглощение углекислого газа и выделение кислорода в атмосферу, что создаёт двойной положительный эффект — получение пищи и топлива, сопровождающееся не загрязнением, а с очищением среды. Проблема, как обычно, состоит в том, что реальные условия, как правило, далеки от оптимальных и теоретически возможных.

В рамках упоминавшейся выше программы ASP в США микроводоросли с большим содержанием липидов культивировались в открытых прудах в штате НьюМексико (юго-запад страны). Средняя продуктивность составляла 20 г/м2 в сутки (что соответствует 73 тонн с одного гектара в год), а в отдельные периоды — до 70 г/м2 в сутки.

Тем не менее, выяснилось, что невозможно в течение длительного времени поддерживать монокультуру микроводорослей в открытой системе, где неизбежно присутствуют и другие организмы. Кроме того, высокая продуктивность водорослей возможна при достаточно большой подкормке азотом, в отсутствие его она падает. В данном случае видно сходство с традиционными сельхозкультурами, также требующими азотных удобрений. В то же время при отсутствии азота содержание жиров в клетках водорослей выше. Итак, задача одновременного роста биопродуктивности и содержания липидов, обусловливающих энергоэффективность культуры, оказывается неразрешимой, и требуется поиск оптимального соотношения того и другого.

Японские исследователи из Научноисследовательского института инновационных технологий Земли (Research Institute of Innovative Technology for the Earth (RITE)), работавшие над этой же задачей в 1991–1999 годы, пришли к сходным результатам.

В 1997–2001 годах крупный исследовательский проект в этом же направлении осуществлялся на Гавайских островах, с микроводорослью хематококкус плювиалис (Haematococcus pluvialis), которую на первой стадии выращивали в закрытых фотобиореакторах, на второй — помещали в условия открытых водоёмов. Средняя продуктивность биомассы культивируемой водоросли составила 38 тонн с 1 га, максимальная превышала 90 тонн, выход биотоплива, соответственно, был 11,4–27,5 тонн с 1 га, что в несколько раз выше, чем у самых продуктивных масличных культур на суше.

В то же время, при выращивании в открытых условиях и биопродуктивность, и содержание липидов оказываются существенно ниже, а выращивание в закрытом биореакторе ведёт к существенно более высоким затратам.

В переводе на энергетический эквивалент получается, что для получения 1 л биодизеля из микроводорослей требуются энергозатраты, эквивалентные 0,56– 0,81 л топлива (в среднем около 0,7 л), включающие электроэнергию, питательные вещества и другое. В данном случае, помимо экономической составляющей, присутствует и экологическая — поскольку энергия, идущая на выращивание водорослей, добывается уже из невозобновляемых источников и экологически безопасной не является, то есть экологический эффект производства биодизеля в значительной степени обесценивается. Кроме того, существует отрицательный экологический эффект, связанный с азотной подкормкой и водопотреблением плантаций водорослей, то есть такой же, как и в традиционном сельскохозяйственном производстве. Кроме того, речь идёт о затратах без учёта инвестиций, оплаты труда, других издержек, связанных, в частности, с транспортировкой топлива.

Расчёты затрат на получение биодизеля из микроводорослей дают существенно различающиеся результаты, в очень высокой степени зависящие от вида и способа производства водоросли, природных условий и других факторов. В частности, по расчётам участников программы ASP, стоимость 1 л «водорослевого» биодизеля составила 26–86 центов ($ 39–127 за баррель), в гавайском проекте — около 40 центов ($ 56 за баррель), а исследователи из Британской Колумбии (Канада) дают существенно более высокие цифры — от $ 2,5 до $ 7 за 1 л.

По нашим расчётам, инвестиционные затраты на обустройство 1 га водорослевых плантаций в открытых условиях, включая монтаж культиваторов, оборудование для приготовления питания, перемешивания, сушки и фильтрации биомассы и другое, составят около $ 50 тыс.

Операционные затраты в крайне высокой степени зависят от местных условий, начиная от климата и заканчивая уровнем оплаты труда. Их можно оценить в $ 50–100 тыс. в год, но в условиях России они могут быть в несколько раз выше, в частности, из-за существенно большего по сравнению с субтропиками и тропиками расхода электроэнергии и короткого вегетационного периода при выращивании в открытых условиях.

Это вполне приемлемые условия при выращивании водорослей в качестве пищевых и лекарственных добавок, но как источник топлива они оказываются слишком дорогими.

При данных затратах, даже в случае сбора с 1 га 30 тонн биомассы ежегодно, каждая тонна будет обходиться в $ 1600– 3200 ($ 1,6–3,2 за 1 кг), даже без учёта первоначальных инвестиций и затрат на получение собственно биотоплива. Это близко к цифрам, приводимым канадскими исследователями.

Перспективы водорослевой энергетики

Интерес к водорослям в качестве источника биотоплива закономерен при ценах нефти в $ 100 за баррель и выше, как было во второй половине 2000-х годов. В настоящее время ситуация далеко не столь благоприятна, и вряд ли можно предсказать, изменится ли она в лучшую для возобновляемой энергетики сторону в обозримом будущем.

В настоящее время идёт и будет продолжаться поиск путей снижения затрат на производство биоэнергии из водорослей. Помимо прочего, он включает поиск, отбор и выведение культур водорослей с повышенным содержанием липидов, более продуктивных и жизнестойких.

В качестве же пищевого продукта (что тоже можно считать источником энергии) водоросли уже используются и имеют очевидные перспективы. Вероятно, как и в случае с торфом, в дальнейшем целесообразно комплексное использование выращиваемых водорослей с созданием целого спектра пищевых, лекарственных, энергетических продуктов на выходе. Для России это также могло бы стать одним из направлений среднеи долгосрочного инновационного роста и создания высокотехнологичной экономики на отечественной интеллектуальной и производственной базе. опубликовано econet.ru