藻类的营养循环是一个三赢

2019-12-27 414藻类

氮和磷酸盐营养物质是培育用于生物燃料的藻类的最大成本。桑迪亚的分子生物学家 Todd Lane 和 Ryan Davis已经证明,他们可以回收三分之二的关键营养物质,并将回收率提高到接近100%。

回收氮和磷的好处远远超过成本。虽然氮可以通过使用天然气和大气氮的昂贵的人工固氮过程来生产,但磷酸盐是一种有限的自然资源,在高浓度下可能是有毒的。

“我们在世界上有有限数量的磷酸盐,但作为一种肥料需求量很大。以化肥的形式进入我们作物的磷酸盐有一半最终进入了墨西哥湾,造成了缺氧区。”更广为人知的是“死区”,低氧区是指低氧浓度的区域,会杀死或驱逐海洋生物。

经济模型显示,用藻类衍生燃料替代10%的液体运输燃料,虽然在许多方面对环境有益,但会使化肥消耗翻倍,进而推高食品成本。

但回收磷酸盐意味着每个人都是赢家:藻类生物燃料的生产者、农民和环境。Lane说:“通过从一批藻类中回收磷酸盐到另一批藻类中,我们节省了资金,不再与农业竞争不可再生的资源,并使这些磷酸盐远离环境。”

Lane和Davis正在考虑他们的闭环藻类营养回收方法的其他应用。

Davis说:“藻类的营养循环是一个三赢。我们的方法可以用于在磷进入索尔顿海之前从农业径流中提取磷。”化肥流入加州最大的湖泊咸水海,导致了鱼类和其他野生动物的死亡。“那些本来会进一步增加死亡区的营养物质可以被用来种植藻类,用于生产生物燃料和其他生物制品。”

渗透冲击释放磷酸盐的关键

藻类的营养循环是一个三赢。Lane和Davis发现他们的营养循环方法适用于许多不同的藻类原料,甚至混合原料。由于藻类的遗传多样性比其他任何生物都要丰富,所以过去开发的许多方法并没有普遍适用。

研究人员使用一个相当简单的过程,渗透冲击,以释放磷酸盐从培养的藻类。“我们用淡水冲击藻类,同时控制某些条件,如pH值和温度。这会破坏细胞的内部结构,释放出自然产生的酶。“这些酶会吞噬细胞,并迅速释放磷酸盐。”

下一步是发酵,将氮转化为氨,氮主要以氨基酸的形式存在。磷酸盐和氨在镁的帮助下重新结合,镁在藻类生物量中大量存在,形成鸟粪石,一种固体盐。

2014年,桑迪亚的一个团队通过持续20周的磷酸盐和营养物质的回收再利用,证明了这种方法。它们能够从一个批次到另一个批次运送60%到80%的营养物质。

Davis说:“每隔两周,我们就会回收这些营养物质,并把它们重新注入下一批藻类中。”“这一过程比我们预期的效果更好,因为我们看到循环营养物促进了生长。我们不太清楚为什么会这样。可能是磷酸盐中携带的微量金属。”

脂质提取使营养循环成为可能

藻类营养循环研究是能源部生物能源技术办公室资助的一个更大项目的一部分,该项目是能效和可再生能源项目的一部分。桑迪亚研究小组的合作伙伴包括:德克萨斯州A&M公司的AgriLife研究中心,该中心培育海洋藻类品种;以及德克萨斯州的OpenAlgae研究中心,该中心拥有在不使用溶剂的情况下溶解藻类细胞和回收藻类脂质的专利技术。回收的藻类油可以转化为燃料。

Lane说:“我们对天然的OpenAlgae脂质提取非常感兴趣,因为它不需要溶剂,所以生物质的天然构象与我们的过程非常吻合。”

OpenAlgae的方法是将藻类细胞置于高能电磁脉冲中,这种电磁脉冲会破坏细胞壁,导致细胞破裂,释放出脂质。在这种分裂状态下,藻类细胞更容易受到渗透冲击。

营养循环过程也会释放出更多的化合物,这些化合物可以转化为燃料。“生物质中含有大量蛋白质,可以吸收氮。在我们释放氨的同时,我们也在捕捉碳,这样碳就可以转化为燃料。”Davis说道。

更好和更容易的营养回收

Lane和Davis正在进一步改进他们的方法,以回收更多的营养物质,包括与加州大学洛杉矶分校的James Liao合作,对他们的发酵菌株进行基因改良,以提高产量和提取不同的燃料产品。Liao是代谢工程和合成生物学实验室的负责人,也是化学与生物分子工程系和生物工程系的系主任。

该项目的另一个方面是开发一个反应器系统,在生物质发酵释放磷酸盐时捕获氨。目前,这些步骤是单独执行的。

Davis说:“我们的目标是建立一个一锅的体系。“这将是我们扩大方法的转折点。我们在20周的试验中培育了2升海藻。下一步是在我们的跑道上种植3000升。”今年晚些时候,桑迪亚将开放3个1000升的跑道试验田,这是一个浅层的人工池塘,用来培育藻类

池塘边的处理是另一个目标。单一模块结合脂质提取和营养物质回收可以分离生物质到养料和燃料在养殖设施。

淘金

Lane和Davis认为,藻类的营养循环是一个三赢,如果将他们的方法应用于农业径流,将有助于改善环境。

营养物质的循环就像淘金一样——或者在这个例子中,是磷酸盐——任何地方,只要有富含肥料的农业径流进入水体。Lane说,关键是在径流进入水体并被稀释之前得到浓缩的径流。

“我们的方法不能修复现有的死亡区域,”Lane说。但它可以阻止他们成长。具有讽刺意味的是,这些营养物质对植物的生长是如此重要,但当它们流入大片水域时却具有如此大的破坏性。艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)把磷酸盐称为“生命的瓶颈”。我们的目标是打破这一瓶颈。”

引用

Sandia National Laboratories. "Algae nutrient recycling is a triple win." ScienceDaily. ScienceDaily, 19 August 2015.
www.sciencedaily.com/releases/2015/08/150819103751.htm.

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