Микроводораслите са ефективни фиксатори на въглероден диоксид в атмосферата

Технологиите за улавяне и съхранение на въглероден диоксид са решение за смекчаване и намаляване на концентрацията на този газ в атмосферния въздух. Те се делят на физически и биологични – т.нар. зелени технологии. От биологична гледна точка, фотосинтезата, която се извършва от растения и водорасли, е най-екологичното и устойчиво решение за улавяне на въглероден диоксид. Този процес може да се стимулира чрез технологични решения, като изкуственото култивиране на микроводорасли.

Въглеродна неутралност означава постигане на нетно нулеви емисии на въглероден диоксид – баланс между отделяните от човечеството въглеродни емисии в атмосферата и така наречените негативни емисии – извличане на въглероден диоксид от атмосферата обратно в земната повърхност. Основните видове негативни емисии са естествени „поглътители на въглерод“ (carbon sink) и технологии за улавяне на въглероден диоксид. Стратегията за постигане на въглеродна неутралност на ЕС изисква глобален енергиен преход, основан на принципите на декарбонизация и технологична модернизация. В допълнение към намаляването на потреблението на изкопаеми горива, като въглища и изкопаем газ, ще има активно развитие на безвъглеродна енергия: използване на възобновяеми енергийни източници, използване на различни видове биогорива, използване на воден и електрически транспорт и др.

Какви са подходите за намаляване въглеродните емисии?

Има два подхода за намаляване на емисиите на въглероден диоксид в атмосферата. 

Единият начин е да се намали потреблението на изкопаеми горива, а другият е да се улови и използва въглеродният диоксид. Сред методите за въглеродно улавяне могат да бъдат посочени химическата абсорбция и процеса на биологична фиксация. 

Процесът на биологично фиксиране може да се извърши с помощта на растения или микроорганизми. 

Микроводораслите и цианобактериите, известни още като синьо-зелени водорасли,  са сред микроорганизмите, които консумират въглероден диоксид, за да растат и това води до фиксирането му. Тези два вида микроорганизми също имат и най-голяма ефективност при преобразуване на въглероден диоксид в кислород и биомаса.

^{Фигура 1: Фиксиране на въглероден диоксид чрез микроводорасли. Източник.}

Когато става въпрос за органични процеси, които можем да използваме за справяне с изменението на климата, способността на водораслите да фиксират въглерод може да бъде един от най-мощните инструменти, с които разполагаме. От години учените изследват този природен феномен с надеждата да се справят с емисиите на парникови газове и да овладеят производството на екологично чисти биогорива. По време на фотосинтеза водораслите поглъщат въглероден диоксид, вода и слънчева светлина, за да произвеждат енергия. Обикновено растението използва тази енергия, за да се възпроизвежда и расте.

Микроводораслите като фиксатори на въглероден диоксид

Извършени са много изследвания върху фиксацията на въглероден диоксид с помощта на различни видове водорасли. Сред тях с особена ефективност се откроява микроводораслото Chlorella vulgaris, което може да понася високи концентрации на въглероден диоксид, има висок фотосинтетичен капацитет и може да поддържа висока скорост на растеж и скорост на фиксиране на въглероден диоксид в широк диапазон от концентрации (0,04 до 18%). 

^{Фигура 2: Ферма за микроводорасли. Източник.}

Хлорела – обещаващ вид за бързо фиксиране на въглероден диоксид

“Хлорела” (от гръцки. χλωρός, “зелен” и лат. -ella – умалителна наставка) е едноклетъчно зелено водорасло, сладководен планктон, причислен към разред Chlorophyta. Има сферична форма с диаметър от 2 до 10 микрона. Хлоропластите на хлорелата съдържат хлорофил A и B, като за процеса на фотосинтезата хлорела има нужда само от вода, въглероден диоксид, светлина и малко количество минерали. Размножава се интензивно – на ден се наблюдава хилядократно увеличение на броя на клетките ѝ. Може би най-често срещаната е Chlorella vulgaris, която се среща широко в естествената среда (във вода, в тинята на локви, канавки и езера и др.).

^{Фигура 3: Chlorella vulgaris. Източник.}

В зависимост от условията на отглеждане на хлорела може да се постигне степен на абсорбция на въглероден диоксид от 27,5 до 105,8 гр./м³ хлорела на час, при което ще се отделят 20 до 77 гр. кислород (Фиг. 4). 

За да разберете дали това е много или малко, нека сравним ефективността на усвояване от микроводораслите с няколко примера: 

• Човек консумира средно 430 гр. кислород на ден и издишва 900 гр. въглероден диоксид. 
• В сравнение с друг метод за усвояването на въглероден диоксид от горите, сравнението е следното: известно е, че 1 хектар възрастни дървета в гора абсорбира 7,5 кг въглероден диоксид на час и отделя 5,5 кг кислород. В същото време резервоар с площ от 1 ха и дълбочина 40 см, обитаван от хлорела, абсорбира от 110 до 423 кг въглероден диоксид на час и освобождава 313 кг кислород в зависимост от климатичната зона на местоположението на резервоара. Тоест продуктивността на единица площ е от 14,7 до 56,4 пъти.

^{Фигура 4: Сравнение на абсорбцията на въглероден диоксид и отделянето на кислород за 1 час от 1 ха микроводорасли и 1 ха гора. Източник: Климатека.}

Такава огромна разлика се дължи на факта, че клетките на микроводораслите хлорела почти изцяло се състоят от хлорофил, който фотосинтезира, докато в горските райони във фотосинтезата участват само зелени листа. Освен това дърветата също имат клони, ствол, корени, които по никакъв начин не участват във фотосинтезата и също изискват енергия, за да функционират. Плътността на засаждане на дървета не позволява пълно улавяне на слънчевата светлина.

Chlorella vulgaris е идеална за използване в проекти, свързани с фиксиране на въглероден диоксид поради високата си устойчивост срещу неблагоприятни условия и патогенни организми. В допълнение към това, в процеса на отглеждането и се синтезират различни органични макромолекули, представляващи допълнителен интерес (протеини, липиди, нишесте). При по-неблагоприятни външни условия биомасата ѝ намалява, но съдържанието на липиди и нишесте се увеличава. При условия на насищане с хранителни вещества и светлина, съдържанието на протеин се увеличава заедно с биомасата. 

Разработени са различни техники за нейното изкуствено отглеждане. Изследвани са различни начини на растеж на Chlorella vulgaris (автотрофен, хетеротрофен и миксотрофен). Автотрофният растеж се предпочита, тъй като не изисква осигуряване на скъп органичен въглерод и разчита на източници на неорганичен въглерод (CO₂, карбонати) и светлина за фотосинтезата.

Нека обаче да се върнем към емисиите на въглероден диоксид от различни индустрии – за да стане въглеродно неутрално предприятие, което отделя 1000 кг въглероден диоксид на час, то се нуждае от резервоар с площ от 2,3 до 9 хектара, в зависимост от климатичната зона на резервоара. Това обаче не са всички предимства на използването на микроводорасли за решаване на този проблем – по време на деленето и растежа на клетките, в резултат на тяхната жизнена дейност, се образува огромно количество биомаса от микроводорасли, която може да се използва вторично в различни други сектори на националното стопанство. Например в земеделието.

Какви са възможностите за използване на хлорела в земеделието?

Хлорелата е чудесен природен биостимулатор, който може да се използва при отглеждането на растения в двора или на терасата. Областите на нейното приложение са следните:

• накисване на семена и друг посадъчен материал;
• подхранване на разсад за създаване на здрави растения и добра коренова система;
• грижа за стайни растения за активиране на растежа и жизнеността, качествена промяна на външния вид;

• възстановяване на избледняващи и болни растения (стимулира имунитета на растенията, повишава естествената устойчивост);
• ревитализация и подхранване на почвената микрофлора;
• активиране на развитието на възрастни растения и др.

Как да използваме суспензията с хлорела в градината?

Експериментално е доказано положителното влияние на микроводораслите върху състоянието на почвата. Факт е, че органичната материя на такива водорасли е лесно смилаем и високоенергиен „продукт“ за много почвени бактерии. По този начин алголизирането на почвата (въвеждане на биомаса от водорасли) допринася за бързото развитие на микробиологични и биохимични процеси в тях и в резултат на това за увеличаване на количеството хуминови киселини и други ценни органични вещества, които са лесно достъпни и полезни за растенията. Прилага се 0,5 л. суспензия с хлорела на 7 м². 

Хлорела може да се използва и при третиране на семена и разсад, като целта е да се активират зародишите на семената и резниците. Накисването на семената в суспензия от хлорела се извършва в топъл разтвор на суспензия на хлорела (15 – 25 °C) на дневна светлина. Накисването значително повишава тяхната кълняемост (практически до 99%), както и степента на оцеляване на разсада и скоростта на растеж (с 20 – 50%). При отглеждане на разсад семената се покълват по обичайната класическа технология.

Производство на хлорела в домашни условия

^{Фигура 5: Домашен биореактор за производство на хлорела. Източник.}

Хлорелата може много лесно да се отглежда в домашни условия. Да се направи суспензия от “Хлорела”, т.е. за размножаване на културата на самите водорасли, е достатъчно да се разреди всеки сложен минерален тор в преварена охладена вода (например калиев монофосфат, съгласно инструкциите за него) и плюс да се добави (на базата на 1 л. разтвор): или 10 мл стартова култура събрана в природата или закупена от специализиран доставчик. Водораслите се нуждаят от ярка дневна светлина, за да се развиват, но избягвайте пряката слънчева светлина и прекомерното прегряване на течността. Още на втория ден водата в бутилката забележимо става зелена и това показва, че процесът на размножаване на хлорела протича нормално. След около седмица културата от водорасли ще започне да “презрява” и може да изпадне утайка, в такъв случай хлорелата трябва да се поднови, като се отцеди част от водораслите от бутилката и се добави прясна вода. И процесът на отглеждане да започне отново.

В България култивирането и използването на микроводорасли е на ниво научноизследователска дейност 

и тепърва предстои да навлиза. Опити с тях се правят в Института по физиология на растенията към БАН, а в Пловдивския университет се съхранява националната колекция от микроводорасли. На други места по света обаче, включително в страните от глобалния Юг, микроводораслите са обект както на промишлено отглеждане, така и на малообемно, в рамките на семейни ферми. Използват се за пречистване на отпадни води, за утилизация на течната фракция от торта в животинските ферми или при инсталации за биогаз, а впоследствие и като фуражи в животновъдството и аквакултурите. Друго тяхно приложение е използването им като биостимулатор при отглеждане на селскостопански култури.

Изменението на климата и замърсяването са най-големите заплахи на нашето време. Емисиите на въглероден диоксид са ключов фактор, причиняващ глобалното затопляне и изменението на климата, а микроводораслите могат да улавят и съхраняват атмосферния въглероден диоксид, като това може да помогне за ограничаване на глобалното затопляне. И най-важното, прилагайки прости и децентрализирани технологии, това може да бъде направено от всеки, дори и в собствения му дом.

В публикацията са използвани материали от:

1. Patrick Kim, Ochan Otim, “Addressing global warming and eutrophication with wastewater-based algal photobioreactor”, Bulletin Southern California Academy of Sciences, April 2019, Southern California Academy of Sciences DOI: 10.3160/0038-3872-118.1.42
2. Noor Shazleen Sharfadeen, Muhammad Syukri Abd Rahaman, Siti Rozaimah Sheikh Abdullahand Zuraifah Minhat “Comparative Carbon Dioxide Capture from Airbetween Chlorella vulgaris and Chlorella sorokiniana” Indian Journal of Science and Technology, Vo l 9 ( 2 1 ) , DOI: 10.17485/ijst/2016/v9i21/95231, June 2016
3. Jesús Alberto CORONADO-REYES, Juan Alfonso SALAZAR-TORRES, Beatriz JUÁREZ-CAMPOS “Chlorella vulgaris, a microalgae important to be used in Biotechnology: a review” Food Science and Technology 2020 doi.org/10.1590/fst.37320
4. Marcin Zieliński1, Joanna Kazimierowicz, Marcin Dębowski1 “The Possibility of Deploying CO2 from Biogas Combustion to Improve the Productivity of a Periodical Chlorella vulgaris Culture” Front. Biosci. (Elite Ed) 2023, 15(1), 3; https://doi.org/10.31083/j.fbe1501003

Източник: Какво не знаем за микроводораслите и къде е тяхната сила?, Климатека

Роман Рачков е част от авторския екип на Климатека, той е агроном, специалист по тропично и субтропично земеделие, дългогодишен експерт по интегрирана и биологична растителна защита. Председател е на Българската асоциация по биологична растителна защита, има интереси в областта на инвазивните видове насекоми в Европа.

Още по темата

27/06/2023

Животът

Влияе ли се лавандулата от климатичните промени?

19/05/2023

Животът

Дивите пчели са много по-добри градински опрашители от медоносните пчели

20/04/2023

Земята

Защо бъдещето е в пренебрегваните култури и силата им да се адаптират?

28/03/2023

Животът

Фенологията на растенията е важен биоиндикатор за промените в климата