Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Учёные из Института микробиологии им. С.Н. Вернадского совместно с европейскими коллегами добыли со дна озёр Центральной Азии микробы, которые посредством анаэробной переработки могут производить метан в биореакторах. В Германии уже планируют строить опытно-промышленную установку, предназначенную для применения данной технологии, и рассчитывают, что это станет большим прорывом в развитии возобновляемой энергетики.
Метанобразующие микроорганизмы давно находятся в фокусе внимания биотехнологов из-за той огромной роли, которую они играют при анаэробной (без доступа воздуха) переработке индустриальных и бытовых вод. По сути, из сточных вод они делают биогаз, который полностью способен заменить столь дорогой природный газ, и при этом его ресурсы возобновляемы. В настоящее время метан уже производится коммерчески, но он не может полностью заменить природный газ, так как в сточных бытовых водах содержится слишком мало углеродсодержащих веществ. Поэтому в настоящее время активно изучается комбинирование производства биомассы с её последующей переработкой в метан.
Международный коллектив авторов из Германии (Институт исследований генома и системной биологии, Институт морской микробиологии Макса Планка), Нидерландов (Дельфтский технологический университет) и России (лаборатория экологии и геохимической деятельности микроорганизмов Института микробиологии им. С.Н. Вернадского РАН) давно изучает способность микробов к жизнедеятельности в экстремальных условиях, в частности в насыщенных содовых растворах.
«Протонная энергетика – основа жизни в нейтральных условиях – частично или полностью заменяется на натриевую. Это происходит в связи с тем, что в сильнощелочных средах существует нехватка ионов водорода (протонов), так необходимых для жизнедеятельности клетки. Поэтому она вынуждена перестраивать свой обмен веществ и использовать “то, что есть”. В случае содовых растворов – это ионы натрия, – пояснил в интервью STRF.ru участник проекта с российской стороны, ведущий научный сотрудник Института микробиологии им. С.Н. Вернадского Дмитрий Сорокин. – Для того чтобы активно функционировать в таких нестандартных условиях, микроорганизмам необходимы особые ферменты и клеточные механизмы, отсутствующие у нейтрофилов (организмов, живущих в “обычной” нейтральной среде), Как уже говорилось, клетка переходит на активное использование ионов натрия. Побочным и весьма полезным эффектом в данном случае будет возможность применения такого рода организмов в технологических процессах, проходящих при высоких уровнях рН и солёности».
Дмитрий Сорокин: «Протонная энергетика – основа жизни в нейтральных условиях – частично или полностью заменяется на натриевую. Это происходит в связи с тем, что в сильнощелочных средах существует нехватка ионов водорода (протонов), так необходимых для жизнедеятельности клетки». Здесь и далее – фото предоставлены Дмитрием Сорокиным
Исследователи изучили возможность использования микроорганизмов донных отложений (седиментов) из гиперсолончаковых содовых озер Центральной Азии в качестве реакционной среды для щелочных биореакторов по производству метана посредством анаэробной переработки. Они сочетали измерения эффективности производства метана из различных субстратов с генетической характеристикой популяции метаногенов (микроорганизмов, производящих в результате своей жизнедеятельности метан) посредством специального маркерного гена mcrA.
Седименты учёные отбирали из нескольких солончаковых натриевых озер Кулундийской степи на Алтае. Более года эти микробы хранились при температуре 4 оС и определённом давлении в стеклянном контейнере в инертной атмосфере. Затем они добавлялись к субстрату (в качестве субстрата использовали метанол, ацетат или водород) и вся смесь подвергалась выдерживанию в темноте в течение десяти суток. После чего методом газовой хроматографии определяли количество полученного метана. Для этого находили его зависимость от концентрации соляного раствора и от уровня кислотности, при котором проводился процесс. Оказалось, что наивысшая концентрация биогаза присутствует на субстрате из метанола при рН 10 (т.е. в сильнощелочной среде) в одномолярном растворе соли. То есть метанол – самый эффективный субстрат для будущих биореакторов.
Сбор микроорганизмов в отложениях содовых озёр в Кулундийской степи
По маркируемому гену mcrA учёные определили, что в седиментах со дна алтайских озёр присутствуют в основном четыре типа метаногенных организмов. Интересно отметить, что ни об одном из этих типов не сообщалось в предыдущих исследованиях других авторов. Иными словами, микроорганизмы со дна озер Кулундийских степей оказались уникальными. По оценке учёных, на их основе можно организовать биологическое производство возобновляемых источников энергии. Кроме того, эти микробы можно заставить работать на очистке высокощелочных стоков, образуемых при газо- и нефтепереработке, в бумажной и текстильной промышленности.
Впрочем, прикладные аспекты учёные из разных стран будут дорабатывать отдельно. В России, полагает Дмитрий Сорокин, должно пройти не менее четырёх лет, прежде чем результаты исследования дойдут до промышленности. Сначала должна быть создана модель, продуцирующая метан. Потом эта модель будет опробована в лабораторных биореакторах, а после, если получится приличный результат, начнётся создание пилотного реактора, способного работать в промышленных масштабах.
В Германии не планируют долго тянуть с внедрением. В составе исследовательской группы есть немецкие биотехнологии, которые имеют большие планы на создание в ближайшем будущем биореакторов промышленных масштабов. Один из ключевых моментов, объясняющих, почему немцы так активны в этом направлении, по-видимому, заключается в том, что немецкое правительство в перспективе решило отказаться от невозобновляемых источников энергии (в частности от обычного природного газа) и активно финансирует программу по производству биогаза из различных сельскохозяйственных отходов.
Шабельский Алексей