Экспериментальный биореактор, в котором бактерии и грибы разлагают растительный мусор с образованием изобутанола (фото Joseph Xu / Michigan Engineering Communications & Marketing).
Удалось сконструировать биореактор, в котором бактерии и грибы бок о бок трудятся над превращением растительных остатков в изобутанол, значительно превосходящий этиловый спирт по биотопливным свойствам.
Этанол называют основной «зелёной» альтернативой обычному топливу, получаемому из нефти. Однако в сравнении с бензином у него есть ряд недостатков: во-первых, энергетически он даёт лишь 62% той энергии, которая образуется при сжигании бензина; во-вторых, этанол активно вбирает воду, а это приводит к коррозии поверхностей, которые с ним контактируют.
Этанол можно было бы заменить изобутанолом. Энергозапас у этого спирта побольше — 82% от бензина, а вода проникает в него много хуже, чем в этанол. Но с изобутанолом связана другая проблема. Биотопливо потому и называется биотопливом, что получается в результате работы микроорганизмов над мусорными остатками растений — негодной целлюлозой, стеблями и листьями сельскохозяйственных культур и т. п. Микроорганизмы используют растительную клетчатку в качестве источника энергии, а на выходе дают этанол.
В случае изобутанола в геном микроорганизмов нужно внести какие-то изменения, которые заставили бы их гнать этот спирт вместо этанола. Исследователи долго пытались вывести супербактерию, выполняющую все необходимые для получения изобутанола биохимические реакции, но задача оказалась не их простых. В результате это удалось учёным из Мичиганского университета (США). Да и то лишь потому, что Джереми Минти и его коллеги распределили обязанности между двумя организмами — бактерией кишечной палочкой и грибом Trichoderma reesei.
Гриб выполнял первую часть работы: с помощью фермента целлюлазы он превращал растительную целлюлозу в растворимые углеводы. А уже эти углеводы использовала для своих нужд кишечная палочка, которая благодаря своим генетическим модификациям и производила изобутанол. Главный же результат состоит в том, что удалось добиться взаимного плодотворного сосуществования гриба и бактерии в одном реакторе.
В журнале PNAS авторы как раз и описывают такой реактор, превращавший кукурузные стебли и листья в изобутанол. Выход топлива составил 1,88 грамма спирта на литр среды, что является лучшим результатом среди всех биореакторов такого рода. В энергетическом эквиваленте удалось перегнать в изобутанол 62% энергии, заключённой в растительном сырье.
Самым трудным было сделать так, чтобы один вид не подавил, не изгнал другой. Пришлось прибегнуть к теории игр, чтобы понять, какие препятствия могут возникнуть при таком сожительстве. Бактерии в данном случае ничем не платят грибам и лишь поглощают растворимые углеводы, которые те производят. Кишечная палочка, не отдавая ничего взамен, могла бы просто «забить» собой грибную культуру.
Чтобы этого не произошло, рост бактерий нужно ограничивать, и делать это можно, к примеру, подбирая изначальную пропорцию грибов и бактерий и избавляя систему от избытка кишечной палочки. Так или иначе, исследователям удалось добиться того, что оба вида могут довольно долго сосуществовать в одном реакторе; это заметно упрощает его конструкцию и управление всей системой.
В ближайшем будущем авторы работы собираются повысить устойчивость гриба и бактерии к изобутанолу: этот спирт довольно токсичен для обоих микроорганизмов, что, разумеется, ограничивает выход биотполива.
Подготовлено по материалам Мичиганского университета. Фото на заставке принадлежит Shutterstock.
Загрузка...