Een diverse mix van soorten verbetert de stabiliteit en stookolieopbrengst van algenbiobrandstofsystemen, evenals hun weerstand tegen invasie door buitenstaanders, volgens de bevindingen van een federaal gefinancierde buitenstudie door onderzoekers van de Universiteit van Michigan.

U-M-wetenschappers kweekten verschillende combinaties van zoetwateralgensoorten in 80 kunstmatige vijvers bij U-M's E.S. George Reserve bij Pinckney in de eerste grootschalige, gecontroleerd experiment om het wijdverbreide idee te testen dat biodiversiteit de prestaties van algenbiobrandstofsystemen in het veld kan verbeteren.

Algemeen, ontdekten de onderzoekers dat diverse mengsels van algensoorten, bekend als polyculturen, voerden meer sleutelfuncties uit op hogere niveaus dan welke soort dan ook - ze waren beter in multitasking. Maar verrassend genoeg de onderzoekers ontdekten ook dat polyculturen niet meer algenmassa produceerden, bekend als biomassa, dan de meest productieve afzonderlijke soort, of monocultuur.

"De resultaten zijn cruciaal voor het ontwerp van duurzame biobrandstofsystemen omdat ze aantonen dat, hoewel een monocultuur de optimale keuze kan zijn voor het maximaliseren van de algenproductie op korte termijn, polyculturen bieden een stabieler gewas over langere perioden, " zei hoofdauteur Casey Godwin, een postdoctoraal onderzoeker aan de UM's School for Environment and Sustainability.

De bevindingen van het team staan ​​gepland voor publicatie op 18 juni in het tijdschrift Global Change Biologie-Bio-energie .

Van algen afgeleide bioruwe olie wordt onderzocht als een potentieel alternatief voor hernieuwbare energie voor fossiele brandstoffen. Omdat ze snel groeien en kunnen worden omgezet in bio-olie, algen hebben het potentieel om meer brandstof te genereren uit een kleiner oppervlak dan gewassen zoals maïs. Maar de technische uitdagingen die gepaard gaan met het kweken van grote hoeveelheden van deze microscopisch kleine waterplanten in grote kweekvijvers in de buitenlucht, hebben de voortgang naar teelt op commerciële schaal vertraagd.

Buiten - ver van de gecontroleerde omstandigheden van het laboratorium - moet een kweeksysteem voor algenbiobrandstof stabiel blijven, stabiele groei van brandstofklare algen bij wisselende weersomstandigheden, de dreiging van bevolkingscrashes veroorzaakt door ziekten en plagen, en invasie door hinderlijke soorten algen.

Decennia van ecologisch onderzoek hebben aangetoond dat planten- en dierengemeenschappen met een rijke mix van soorten, gemiddeld, productiever dan minder diverse gemeenschappen, stabieler in het licht van omgevingsfluctuaties, en beter bestand tegen plagen en ziekten.

Maar het idee dat polyculturen van algen beter kunnen presteren dan monoculturen, was nooit rigoureus getest onder grootschalige veldomstandigheden. Met financiering van de National Science Foundation en het U-M Energy Institute, U-M-ecoloog Bradley Cardinale en zijn collega's wilden deze hypothese testen, met behulp van een tweedelige studie.

De eerste fase omvatte het kweken van verschillende combinaties van zes Noord-Amerikaanse meeralgensoorten in 180 aquariumachtige tanks in de kelder van het Dana-gebouw op de Ann Arbor-campus van UM. Alle zes soorten worden vaak gebruikt in biobrandstofsystemen.

De tweede fase omvatte het testen van de vier meest veelbelovende algensoorten en soortenmengsels door ze buiten te kweken in veetanks van 290 gallon op de 1, U-M-reservaat van 300 hectare. Dat werk werd gedaan in de zomer van 2016 en leidde tot de aanstaande Global Change Biologie-Bio-energie papier.

In beide fasen van het onderzoek collega's van het UM College of Engineering gebruikten een techniek genaamd hydrothermale liquefactie om de algen om te zetten in brandbare oliën, of biocrude, die kunnen worden geraffineerd om transportbrandstoffen zoals biodiesel te maken.

"Eerst evalueerden we verschillende combinaties van algen in het lab, en toen brachten we de beste naar de natuur, waar ze werden blootgesteld aan wisselende weersomstandigheden, ongedierte, ziekte en alle andere factoren die al 40 jaar lang op algen gebaseerd brandstofonderzoek hebben geplaagd, ' zei Godwin.

In hun analyse van de algenmonsters verzameld tijdens de 10 weken durende E.S. George Reserve-studie, onderzoekers vergeleken het vermogen van monoculturen en polyculturen om meerdere taken tegelijk uit te voeren:om veel algenbiomassa te kweken, om biocrude van hoge kwaliteit te produceren, stabiel blijven in de tijd, om populatiecrashes te weerstaan ​​en invasies door ongewenste algensoorten af ​​te weren.

Hun analyse toonde aan dat het gebruik van polyculturen de invasie door ongewenste algensoorten aanzienlijk vertraagde; dat de opbrengsten van biocrude significant hoger waren in de polyculturen met twee en vier soorten dan in de monoculturen; en dat diverse gewassen van algen in de loop van de tijd stabieler waren.

En hoewel monoculturen de neiging hadden om goed te zijn in één of twee banen tegelijk, polyculturen voerden meer van de banen op hogere niveaus uit dan alle monoculturen, een eigenschap die multifunctionaliteit wordt genoemd.

Maar op het zelfde moment, polyculturen produceerden minder biomassa dan de best presterende monocultuur. En het gebruik van polyculturen had geen significant effect op de omvang en timing van plotselinge, scherpe dalingen van de algenproductie, ook wel populatiecrashes genoemd.

"Onze bevindingen suggereren dat er een fundamentele afweging is bij het kweken van biobrandstof voor algen, " zei kardinaal, een professor aan de UM School for Environment and Sustainability.

"Je kunt gewassen van één soort telen die grote hoeveelheden biomassa produceren, maar die onstabiel zijn en minder biocrude produceren. Of, als je bereid bent wat opbrengst op te geven, je kunt mengsels van soorten gebruiken om een ​​biobrandstofsysteem te produceren dat stabieler is in de tijd, beter bestand tegen plaagsoorten, en wat meer biocrude olie oplevert."

auteurs van de Global Change Biologie papier, naast Godwin en Cardinale, zijn U-M's Aubrey Lashaway en David Hietala, en Phillip Savage van de Pennsylvania State University.

Leden van hetzelfde onderzoeksteam hebben andere recente artikelen gepubliceerd waarin de voordelen van diversiteit in algenbiobrandstofsystemen voor het minimaliseren van het gebruik van kunstmest worden onderzocht. afval recyclen, en het verbeteren van de chemische eigenschappen van biocrude.

"Gezamenlijk, deze resultaten laten zien hoe het toepassen van principes uit de ecologie kan helpen bij het ontwerpen van hernieuwbare brandstofsystemen van de volgende generatie, ' zei Godwin.