Quando si coltivano alghe in stagni all'aperto come biocarburante di nuova generazione, un mix di specie naturalmente diversificato contribuirà a ridurre la possibilità di fallimento del raccolto, secondo uno studio finanziato a livello federale dai ricercatori dell'Università del Michigan.

Il petrolio biocrude derivato dalle alghe viene studiato come potenziale alternativa di energia rinnovabile ai combustibili fossili. L'ecologo della UM Bradley Cardinale e i suoi colleghi hanno scoperto che la coltivazione di più specie di alghe in 180 vasche simili ad acquari ha aiutato a stabilizzare la produzione di biogreggio e ha reso il sistema più affidabile ed efficiente.

Mentre l'esperimento è stato condotto all'interno, i suoi risultati hanno rilevanza per la coltivazione all'aperto, disse Cardinale, coautore di un articolo pubblicato online di recente sulla rivista Scienze e tecnologie ambientali .

"Questi risultati sono importanti perché una delle nostre maggiori sfide nel rendere accessibile il biocarburante algale è migliorare l'efficienza degli stagni di crescita all'aperto e prevenire gli incidenti che rovinano i raccolti, " Egli ha detto.

"Le aziende spendono grandi quantità di denaro per allestire ripetutamente questi stagni. Se la diversità delle specie aumenta l'efficienza riducendo anche la possibilità di un incidente, poi riduce anche i costi, "disse Cardinale, un professore presso la Scuola di Risorse Naturali e Ambiente U-M e direttore di CILER, l'Istituto Cooperativo per la Limnologia e la Ricerca sugli Ecosistemi.

Sorprendentemente, i ricercatori hanno anche scoperto che coltivare un mix di specie di alghe non ha aumentato la produzione di biogreggio rispetto alle specie coltivate da sole come monocolture. Infatti, la competizione tra le specie spesso faceva sì che le miscele producessero meno biogreggio rispetto a ciascuna specie individualmente.

Questa scoperta contrasta con decenni di ricerche ecologiche che mostrano che le comunità contenenti insiemi più diversi di piante e animali sono, in media, più produttivo e più efficiente nell'uso delle risorse. A causa di questo lavoro precedente, i ricercatori delle alghe U-M avevano ipotizzato che un mix di specie algali sarebbe stato più produttivo di singole specie. Ma non è questo il caso.

"I nostri risultati suggeriscono che c'è un compromesso fondamentale quando si coltivano biocarburanti algali, "ha detto Anita Narwani, un ex ricercatore post-dottorato UM presso la School of Natural Resources and Environment e autore principale dello studio.

"Puoi coltivare colture monospecie che producono alti raccolti ma hanno un alto rischio di fallimento del raccolto. Oppure puoi usare miscele di specie che producono raccolti inferiori ma hanno molte meno probabilità di crollare e sono più sostenibili nel tempo".

Il lavoro dell'UM è stato finanziato da $ 2 milioni, borsa di studio quadriennale della National Science Foundation. Premiato nel luglio 2013, la sovvenzione ha pagato per uno studio in due parti per identificare e testare gruppi naturalmente diversi di alghe verdi che possono essere coltivati ​​insieme per creare un alto rendimento, sistema ecologicamente sostenibile ed economico per produrre biocarburanti di nuova generazione.

La prima fase dello studio ha coinvolto la coltivazione di varie combinazioni di sei specie di alghe lacustri nordamericane in 180 vasche simili ad acquari in un laboratorio nel seminterrato del Dana Building di U-M, sede della Scuola di Risorse Naturali e Ambiente.

Ogni serbatoio da 10 litri (2,2 galloni) conteneva uno dei due, Due, quattro o sei specie di alghe. La metà dei serbatoi ha ricevuto una temperatura costante di 71,6 gradi Fahrenheit (22 C). L'altra metà è stata assegnata a un trattamento a temperatura variabile per simulare le condizioni esterne. La temperatura oscillava tra 62,6 e 80,6 F (17 e 27 C) a intervalli settimanali.

L'esperimento è durato sette settimane e ha mostrato che le miscele di specie algali erano, in media, più stabile e affidabile di fronte alle fluttuazioni di temperatura.

La seconda fase del progetto finanziato dalla NSF prevedeva la sperimentazione sul campo delle specie di alghe e delle miscele di specie più promettenti coltivandole all'aperto in 80 vasche per bovini in fibra di vetro presso l'E.S. Giorgio Riserva, un 1, Stazione biologica di 300 acri vicino a Pinckney, Mich. Quel lavoro è stato condotto nell'estate 2016, e i risultati sono ora in fase di analisi.

In entrambe le fasi dello studio, i colleghi del College of Engineering di U-M hanno utilizzato una tecnica chiamata liquefazione idrotermale per misurare la quantità e la qualità degli oli combustibili, o biocrudo, prodotto dalle varie combinazioni algali. Stanno anche confrontando la capacità dei sistemi monospecie e multispecie di riutilizzare e riciclare i rifiuti per una crescita aggiuntiva.

Rifornimenti limitati di combustibili fossili, la crescente domanda globale di energia e l'aumento dei livelli atmosferici di anidride carbonica che intrappola il calore hanno recentemente portato i biocarburanti derivati ​​dalle alghe in prima linea nei programmi di ricerca sulle energie rinnovabili.

Però, è necessario superare una serie di ostacoli per rendere fattibile ed economicamente competitiva la produzione su scala industriale di olio di alghe bio rispetto al petrolio greggio a base di combustibili fossili. Quando cresciuto in grandi stagni all'aperto, le alghe soffrono di instabilità delle colture a causa delle variazioni di luce solare e di temperatura, così come disturbi da parassiti, malattie e altri invasori indesiderati.

Il Scienze e tecnologie ambientali carta, "Potere del plancton:effetti della biodiversità algale sulla produzione e stabilità del biocrudo, " è stato pubblicato online il 9 novembre. Il primo autore Narwani è ora presso l'Istituto federale svizzero di scienza e tecnologia acquatica. Gli altri autori, oltre a Cardinale, sono Aubrey Lashaway della School of Natural Resources and Environment, David Hietala del Dipartimento di Ingegneria Chimica della UM, e l'ex membro della facoltà di ingegneria della U-M Phillip Savage, ora alla Pennsylvania State University.

Lo stesso gruppo di ricerca, con l'aggiunta del ricercatore post-dottorato SNRE Casey Godwin, aveva un altro articolo dello stesso studio pubblicato online il 29 novembre su Bioresource Technology. Ha dimostrato che quando i fertilizzanti utilizzati per coltivare le alghe vengono riciclati in vasche contenenti una singola specie di alghe, quelle monocolture spesso non riescono a crescere, o addirittura muoiono, quando cercano di riciclare e riutilizzare il proprio fertilizzante esaurito.

In contrasto, le miscele di alghe non solo sopravvivono con il fertilizzante esaurito, ma prosperano grazie al riciclaggio dei propri nutrienti, spesso coltivando sostanzialmente più biomassa riutilizzando ripetutamente lo stesso fertilizzante.

"Essere in grado di riciclare i nutrienti è importante perché i fertilizzanti sono costosi e perché i nutrienti inutilizzati sono la principale fonte di inquinamento per i corsi d'acqua, laghi e oceani, " Godwin ha detto. "Il nostro studio mostra che diverse miscele di alghe possono ridurre l'uso di fertilizzanti e riciclare i nutrienti in modo da produrre più biocrudo".