Bi lahko bile mikroalge regulator naše klime?

Boj proti globalni otoplitvi: Slovenski raziskovalci so z neinvazivno metodo odpiranja celic mikroalg poenostavili pot do biogoriv.

Objavljeno
29. avgust 2013 17.42
Silvestra Rogelj Petrič, Znanost
Silvestra Rogelj Petrič, Znanost
V vrsti podatkov, ki opozarjajo, da se naš planet ogreva bolj, kot bi si želeli, vznemirja najnovejši, o kislosti oceanov. Ta kaže, da se utegnejo oceani, do zdaj požiralci odvečnega toplogrednega ogljikovega dioksida, zaradi povečane kislosti, ki jo povzroča prav več CO2 v zraku nad njimi, sprevreči v njegov vir – če odvečnega CO2 ne bomo porabili na druge načine. Kako?

Načinov je več in noben ni idealen – bodisi niso zaželeni ali realni, kot je zmanjšanje porabe fosilnih goriv, bodisi niso tehnično izpopolnjeni ali pa so predragi, kot je zajemanje in skladiščenje odvečnega ogljikovega dioksida. Med tema možnostma obstaja še množica drugih, bolj ali manj obetavnih.

Enega takih ponuja uporaba mikroalg, neznatnih morskih in sladkovodnih organizmov. Obstaja jih milijone vrst, in čeprav se jih skorajda ne zavedamo, za nas opravljajo ali pa bi utegnile opravljati pomembna opravila in bi lahko bile vir okoljsko nespornih surovin in energije v prihodnosti – če bi jih le znali v ta opravila vpreči.

V svetu zato izvajajo kopico raziskav, kako najbolje uporabiti ta drobna bitja v našo korist, take raziskave pa potekajo tudi pri nas. Eno od njih, pri kateri so sodelovali kemiki, elektrotehniki in biologi, je gnala ideja o mikroalgah kot surovini prihodnosti za biogorivo, ki bi reševala več težav hkrati: uporabo fosilnih goriv, ki so vir CO2 , bi nadomeščala z biogorivom iz mikroalgnih lipidov, ki bi nastajali prav s porabo tega toplogrednega plina.

Celica, odpri se!

Dosedanje znanje o zajemanju ogljikovega dioksida iz plinskih zmesi v algno biomaso za proizvodnjo lipidov so povezali prof. dr. Maja Ravnikar, prof. dr. Damijan Miklavčič in prof. dr. Janvit Golob s sodelavci z Nacionalnega inštituta za biologijo, Fakultete za elektrotehniko in Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani. Ideja, ki jih je združila, ni nova, nov pa je način, kako so se ljubljanski raziskovalci sklenili spopasti s težavami na poti do njenega uresničenja, ki se kažejo predvsem v premajhni ekonomski donosnosti. Uporabili so postopek elektroporacije, ki jim je razmeroma hitro prinesel izjemen rezultat: brez uporabe topil, kot so delali doslej in drugod po svetu, jim je uspelo »odpreti« membrano celice mikroalge.

Kaj ta dosežek pomeni, so pojasnili dr. Damijan Miklavčič, dr. Janvit Golob in Jernej Morelj. Znano je, da se biodizel izdeluje iz rastlinskih maščob, oziroma strokovno povedano, iz rastlinskih lipidov. Te lipide mikroalge množično proizvajajo s fotosintezo, težava pa je, da ostanejo znotraj mikroalgne celice. Da bi lahko iz njih naredili dizelsko gorivo, jih je torej treba spraviti iz celice.

Kako? Iz celice jih je mogoče povleči na več načinov: s koncentriranjem in sušenjem ali z ekstrakcijo oziroma ločevanjem. Celico razbijejo s pomočjo sile, njeno ovojnico izpostavijo posebnim encimom, ki jo »požrejo«, pri čemer se vsebina celice sprosti v vodo, ali pa lipide iz celice »povlečejo« z organskim topilom. Navedeni postopki so energijsko potratni in zaradi uporabe organskih topil nevarni za okolje, torej niso primerni za pridobivanje biodizla iz alg. Slovenski postopek je izjemen prav v tem, da jim je uspelo membrano celic odpreti brez uporabe škodljivih topil.

»Mikroalgne celice smo 'odprli' s pomočjo električnega polja kar v vodi,« pojasnjujeta Damijan Miklavčič in Janvit Golob. »Se pravi, da jih nismo ne koncentrirali ne sušili. Na celice nismo neposredno delovali s silo, zato jih nismo trajno poškodovali oziroma razbili. Iz 'odprtih' celic so iztekli lipidi, ki so se aglomerirali v skupke in priplavali na površino vode, kot olje v loncu vode. Po končanem procesu smo maščobo z vodne gladine posneli.«

Razmeroma hitro do rezultata

Da so prišli do tega dosežka, niti ni dolgo trajalo. Raziskovanje je potekalo v prostorih katedre za kemijsko, biokemijsko in ekološko inženirstvo pri Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo. »V dobrem mesecu smo izvedli štiri poskuse, vsak je trajal dve uri. Zaradi narave gojenja mikroalg v tem času nismo mogli izvesti več poskusov,« pojasnjujeta Miklavčič in Golob.

Kaj bodo storili zdaj oziroma kako si predstavljajo konkretizacijo svojega dosežka? Kot pravita sogovornika, si zamišljajo, da bi postavili pokrite bazene za gojenje mikroalg ob viru ogljikovega dioksida, to je ob kaki tovarni, termoelektrarni ali čistilni napravi. Vanje bi dovajali vodo, lahko iz reke ali pa iz čistilne naprave, ji dodajali hranila ter bazene osvetljevali po 16 ur na dan. Po določenem času gojenja mikroalg bi nastalo brozgo prečrpali skozi cevne elektroporatorje, kjer bi se celice mikroalg odprle, nato bi jih odvedli v usedalnik. Tam bi se celice posedle na dno, olje pa priplavalo na površino.

Kako daleč oziroma kako blizu taki uporabni rešitvi so slovenski raziskovalci v tem trenutku? Ob potrditvi začetnih pričakovanj s poskusom so se jim porodile nove zamisli, ki širijo meje uporabnosti mikroalg še na druga področja, po besedah sogovornikov ta obetajo višjo dodano vrednost od biodizla. Vendar morajo opraviti še več dodatnih raziskav za potrditev začetnih dognanj in razvoj ponovljive metode. Trenutno so še na ravni laboratorijskih raziskav.

Po navdušenju ob uspeli ideji se zdaj spoprijemajo z ovirami. V tej, začetni fazi je glavna čas, saj je gojenje alg zamuden proces. Za izvedbo potrebnega števila raziskav njihovega postopka, to je ekstrakcije z elektroporacijo, potrebujejo več časa. Ovira jih tudi pomanjkanje zanimanja v Sloveniji za množično proizvodnjo biodizla iz alg, čeprav imamo obrate, ki bi bili za kaj takega primerni, pa zdaj stojijo neizkoriščeni. Ovira je denar, ki ga ni, prav tako prostorska omejitev in naše podnebne razmere, ki ne omogočajo gojenja alg v velikih odprtih bazenih, ki zavzemajo po 25 hektarov, kot na primer delajo v Avstraliji.

Problem je premajhen donos

Poleg teh zunanjih ovir jih čaka še več ovir pri samem postopku gojenja mikroalg. Prva je donos, ki je za zdaj prenizek. Trenutno dosegajo svetovno povprečje, to je pridobiti 0,2 kilograma alg v kubičnem metru vode na dan. Za ekonomsko upravičeno proizvodnjo bi potrebovali desetkrat večji donos. Vendar pa se pri slovenskem postopku z uporabo elektroporacije pri »odpiranju« celic poraja možnost ponovnega gojenja že »odprtih« celic, ki se, ko niso več izpostavljene električnemu polju in so oddale svoje lipide, zaprejo in živijo naprej. Z vpeljavo tako imenovanega refluksa se ekonomsko izplača gojiti tudi alge z nižjim donosom, sta prepričana dr. Miklavčič in dr. Golob.

Drugi problem so okužbe mikroalgne kulture, do katerih pride po naravni poti zaradi drugih mikroalg, bakterij, gliv in podobnih mikroorganizmov. Temu bi se lahko uprli s pomočjo genskega inženiringa. Toda kot priznavata sogovornika, je uporaba genskega inženiringa v tem primeru zelo omejena. Mikroalge so prostoživeči mikroorganizmi v naravi. Tehnološko bi bilo, vsaj za zdaj, zelo težko preprečiti, da ne bi gensko spremenjene alge ušle v naravo in se pomešale med tam živeče mikroalge.

Postopek, čeprav obetaven, torej nima pred seboj enostavne poti do uresničitve. A četudi nam ne bo še tako kmalu dajal biodizla, bo morda prispeval k drugim koristnim stvarem. Slovenski raziskovalci jih vidijo kar nekaj.

Celična molža

»S tehniko elektroporacijske ekstrakcije naredimo dva bistvena koraka,« pojasnjujeta dr. Golob in dr. Miklavčič. »Prvi je, da celic trajno ne poškodujemo in so po postopku sposobne preživeti. Drugi korak je, kot rečeno, da brez uporabe organskih topil brozga ostane nedotaknjena in s tem neonesnažena.«

Zato se lahko uporablja v različne namene, kot prehransko dopolnilo, pri izdelavi farmacevtskih učinkovin v algni celici, za živinsko krmo, celo kot kurivo in podobno. Poleg tega bi lahko algno celico »odprli« z elektroporacijo in vanjo vstavili določene snovi, ki bi jih celica skozi svoj življenjski cikel začela množično proizvajati. Bila bi torej nekakšna »celična tovarna«.

Za vse te naloge bi lahko uporabili isto algno celico, navajajo slovenski raziskovalci. Ko celice ne bi več izpostavljali električnemu polju, bi se »zaprla«, nato bi jo kot preživeto celico znova vodili v proces, kjer bi jo gojili. Postopek opisujejo kot »celično molžo«. Upajmo, da bo ta kar najbolj obilna.