Un diverso mix di specie migliora la stabilità e la resa in olio combustibile dei sistemi di biocarburanti algali, così come la loro resistenza all'invasione da parte di estranei, secondo i risultati di uno studio all'aperto finanziato dal governo federale condotto da ricercatori dell'Università del Michigan.

Gli scienziati dell'U-M hanno coltivato varie combinazioni di specie di alghe d'acqua dolce in 80 stagni artificiali presso l'E.S. George Reserve vicino a Pinckney nel primo su larga scala, esperimento controllato per testare l'idea ampiamente diffusa che la biodiversità può migliorare le prestazioni dei sistemi di biocarburanti algali sul campo.

Globale, i ricercatori hanno scoperto che diverse miscele di specie algali, conosciuti come policolture, svolgevano più funzioni chiave a livelli più alti rispetto a qualsiasi singola specie:erano più bravi nel multitasking. Ma sorprendentemente, i ricercatori hanno anche scoperto che le policolture non producono più massa algale, noto come biomassa, rispetto alle singole specie più produttive, o monocoltura.

"I risultati sono fondamentali per la progettazione di sistemi di biocarburanti sostenibili perché mostrano che mentre una monocoltura può essere la scelta ottimale per massimizzare la produzione di alghe a breve termine, le policolture offrono un raccolto più stabile per periodi di tempo più lunghi, " ha detto l'autore principale dello studio Casey Godwin, un ricercatore post-dottorato presso la School for Environment and Sustainability di U-M.

La pubblicazione dei risultati del team è prevista per il 18 giugno sulla rivista Biologia-Bioenergia del cambiamento globale .

Il petrolio biocrude derivato dalle alghe viene studiato come potenziale alternativa di energia rinnovabile ai combustibili fossili. Perché crescono rapidamente e possono essere convertiti in bio-olio, le alghe hanno il potenziale per generare più carburante da una superficie minore rispetto a colture come il mais. Ma le sfide tecniche coinvolte nella coltivazione di grandi quantità di queste microscopiche piante acquatiche in grandi stagni di coltura all'aperto hanno rallentato i progressi verso la coltivazione su scala commerciale.

All'esterno, lontano dalle condizioni controllate del laboratorio, un sistema di coltivazione di biocarburanti algali deve mantenersi stabile, crescita stabile di alghe pronte per il carburante di fronte a condizioni meteorologiche fluttuanti, la minaccia di crolli demografici causati da malattie e parassiti, e l'invasione di specie moleste di alghe.

Decenni di ricerca ecologica hanno dimostrato che le comunità vegetali e animali contenenti un ricco mix di specie sono, in media, più produttive delle comunità meno diversificate, più stabile di fronte alle fluttuazioni ambientali, e più resistente a parassiti e malattie.

Ma l'idea che le policolture algali possano superare le monocolture non è mai stata testata rigorosamente in condizioni di campo su larga scala. Con il finanziamento della National Science Foundation e dell'U-M Energy Institute, L'ecologo dell'UM Bradley Cardinale e i suoi colleghi hanno deciso di testare questa ipotesi, utilizzando uno studio in due parti.

La prima fase ha coinvolto la coltivazione di varie combinazioni di sei specie di alghe lacustri nordamericane in 180 vasche simili a acquari nel seminterrato del Dana Building nel campus di Ann Arbor di UM. Tutte e sei le specie sono comunemente utilizzate nei sistemi di biocarburanti.

La seconda fase prevedeva la sperimentazione sul campo delle quattro specie di alghe e miscele di specie più promettenti coltivandole all'aperto all'interno di vasche di bestiame da 290 galloni al 1, Riserva U-M di 300 acri. Quel lavoro è stato fatto nell'estate 2016 e ha portato all'imminente Biologia-Bioenergia del cambiamento globale carta.

In entrambe le fasi dello studio, i colleghi dell'U-M College of Engineering hanno utilizzato una tecnica chiamata liquefazione idrotermale per convertire le alghe in oli combustibili, o biocrudo, che può essere raffinato per produrre combustibili per il trasporto come il biodiesel.

"Per prima cosa abbiamo valutato diverse combinazioni di alghe in laboratorio, e poi abbiamo portato i migliori alla natura, dove sono stati esposti a condizioni meteorologiche variabili, parassiti, malattia e tutti gli altri fattori che hanno afflitto gli sforzi di ricerca sui combustibili a base di alghe per 40 anni, " disse Godwin.

Nella loro analisi dei campioni di alghe raccolti durante le 10 settimane di E.S. studio della Riserva di George, i ricercatori hanno confrontato la capacità delle monocolture e delle policolture di svolgere più lavori contemporaneamente:far crescere molta biomassa algale, per produrre biocrudo di alta qualità, rimanere stabile nel tempo, resistere agli arresti demografici e respingere le invasioni di specie algali indesiderate.

La loro analisi ha mostrato che l'uso di policolture ritardava significativamente l'invasione di specie indesiderate di alghe; che le rese di biogreggio erano significativamente più elevate nelle policolture a due e quattro specie rispetto alle monocolture; e che le diverse colture di alghe erano più stabili nel tempo.

E mentre le monoculture tendevano ad essere brave in uno o due lavori alla volta, le policolture svolgevano più lavori a livelli più alti rispetto a qualsiasi delle monocolture, una caratteristica chiamata multifunzionalità.

Ma allo stesso tempo, le policolture hanno prodotto meno biomassa rispetto alle monocolture più performanti. E l'uso delle policolture non ha avuto effetti significativi sull'entità e sui tempi di improvvisi, bruschi cali nella produzione di alghe noti come crolli della popolazione.

"I nostri risultati suggeriscono che c'è un compromesso fondamentale quando si coltivano biocarburanti algali, "disse Cardinale, un professore alla Scuola U-M per l'Ambiente e la Sostenibilità.

"Puoi coltivare colture monospecie che producono grandi quantità di biomassa ma sono instabili e producono meno biocrudo. Oppure, se sei disposto a rinunciare a un po' di rendimento, puoi utilizzare miscele di specie per produrre un sistema di biocarburante più stabile nel tempo, più resistenti alle specie infestanti, e che produce più petrolio biocrude."

Autori del Biologia del cambiamento globale carta, oltre a Godwin e Cardinale, sono Aubrey Lashaway e David Hietala degli U-M, e Phillip Savage della Pennsylvania State University.

I membri dello stesso gruppo di ricerca hanno pubblicato altri documenti recenti che esaminano i vantaggi della diversità nei sistemi di biocarburanti algali per ridurre al minimo l'uso di fertilizzanti, riciclaggio dei rifiuti, e migliorare le proprietà chimiche del biogreggio.

"Collettivamente, questi risultati mostrano come l'applicazione dei principi dell'ecologia potrebbe aiutare nella progettazione di sistemi di alimentazione rinnovabile di prossima generazione, " disse Godwin.