Устойчивая утилизация дымовых газов фототрофно-гетеротрофными микробными консорциумами в сочетании с производством биоэлектричества и биотоплива

Экологически чистое производство энергии вызывает сегодня большой интерес, поскольку способствует социальному развитию и повышению уровня жизни людей. Темпы роста мирового потребления ископаемых топлив указывают на то, что к концу текущего столетия потребность в энергии должна возрасти в 3-5 раз. Кроме того, ископаемое топливо не обеспечивает устойчивого развития, так как оно приводит к увеличению уровня CO2 и накоплению парниковых газов в окружающей среде. Рост антропогенных выбросов парниковых газов только за последние 40 лет превысил 100 % . При этом более 75 % выбросов парниковых газов исходит от энергетического сектора, от сжигания ископаемого топлива. Средняя концентрация углекислого газа в атмосфере Земли сегодня (410 ppm) на 40 % выше, чем в середине XIX века, при этом с каждым годом она увеличивается в среднем на 2 ppm. В ряде стран мира сегодня вводятся углеродные налоги, в связи с чем многие участники рынка ископаемых топлив вынуждены обращаться к «зеленым» решениям. Проблема утилизации парниковых газов является общемировой, в том числе для России и Индии, где большую долю в топливно-энергетическом балансе занимают традиционные углеводородные топлива. Одним из перспективных решений вышеуказанной проблемы является использование фотосинтезирующих микроорганизмов (микроводорослей и цианобактериий) для утилизации дымовых газов, образующихся при сжигании ископаемых топлив. Использование фотосинтезирующих микроорганизмов для улавливания солнечной энергии, свободно доступного источника энергии, и разработка технологии для удовлетворения глобальных потребностей в энергии может изменить правила игры. Микроводоросли, являясь потенциальным экологически чистым источником биоэлектричества (микроводоросли и микробные топливные элементы - MMFC), и биотопливо могут ликвидировать разрыв между текущим спросом и предложением чистой энергии. Одно из главных преимуществ использования микроводорослей в качестве кандидата на биоэлектричество заключается в том, что во время выращивания в присутствии света им не требуется кислород. Вместо этого поглощается углекислый газ и выделяется кислород. Следовательно, топливный элемент из микроводорослей может быть легко связан с секвестрацией дымовых газов. Однако, использование монокультур (микроводорослей и цианобактериий) в процессах утилизации дымовых газов теплоэлектростанций и других промышленных объектов связано с рядом трудностей. Прямая подача дымовых газов в фотобиореактор приводит к подкислению питательной среды и созданию неблагоприятных для роста водорослей условий. Помимо CO2, дымовой газ, образующийся в процессе сжигания на промышленных предприятиях, обычно содержит ингибирующие токсичные загрязнители SOx и NOx, которые также могут негативно сказываться на росте микроводорослей. Поиск устойчивых штаммов и условий культивирования водорослей в условиях утилизации дымовых газов, образуемых при сжигании органического топлива, является сегодня актуальной научной задачей. С целью обеспечения стабильного роста водорослей в условиях, приближенных к реальным на промышленных объектах, в данном проекте предлагается создание и исследование искусственных симбиотических микробных консорциумов фототрофов и гетеротрофов. Данный тип ассоциации часто встречается в природе (в биопленках, микробных матах, лишайниках и др.) и может успешно выживать при высыхании, нехватке питательных веществ, а также при повышенной солености или экстремальных температурах [5]. Данная способность выживать в экстремальных условиях отчасти объясняется разделением труда и последующим взаимодействием между членами сообщества. Создание искусственных сообществ гетеротрофов и фототрофов для различных биотехнологических приложений является сегодня актуальной научной задачей. Научная новизна проекта связана с созданием нового симбиотического микробного консорциума фототрофов (водорослей) и гетеротрофов (бактерий или дрожжей) для эффективного поглощения CO2 и других дымовых газов (NOx, SOx) и его интеграции с микроводорослевыми микробиальными топливными элементами для производства биоэлектричества и биомассы водорослей. В ходе работы коллекция микроводорослей и гетеротрофных микроорганизмов будет пополнена новыми штаммами, выделенными из озер и прудов Индии. Впервые будет исследована кинетика и эффективность утилизации дымовых газов как с помощью альгологически чистых культур (монокультур), так и с использованием консорциумов микроводорослей с гетеротрофами. Новые результаты мирового уровня будут получены при использование сточных вод в качестве питательной среды в процессе утилизации водорослями дымовых газов. Впервые биоэлектричество (в микробных топливных элементах из микроводорослей), бионефть и биоуголь (путем гидротермального сжижения и гидротермальной карбонизации, соответственно) будут получены из биомассы, выращенной с использованием дымовых газов. Наконец в проекте будет рассмотрен новый подход к захоронению углерода, полученного в результате утилизации CO2, который основан на конверсии выращенной биомассы в инертный биоуголь методом гидротермальной карбонизации и дальнейшем захоронении полученного биоугля (в шахтах, полигонах, почвах, грунтах). Данный проект будет являться продолжением успешного и плодотворного сотрудничества (имеется 17 совместных публикаций в высокорейтинговых изданиях, индексируемых в базах Web of Science Core Collection или Scopus) между коллективами из России и Индии, начатого в рамках гранта РФФИ Инд_а 18-58-45009.