Получены высокоэффектив­ные ферменты для производства биотоплива

Ученые из Объединенного института биоэнергетики при Министерстве энергетики США получили новый тип целлюлаз — ферментов (энзимов), используемых для разложения растительной биомассы при производстве биотоплива и биопродуктов. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Microbiology. В отличие от традиционных методов, когда целлюлазы вырабатываются изолированными организмами, эти культивировали из полноценного микробного сообщества — микробиома.

Процесс получения биотопливных целлюлаз
Процесс получения биотопливных целлюлаз

Руководитель исследования Стив Сингер в интервью порталу Biofuels News отметил, что ранее ученым не удавалось получить эти ферменты из изолятов, то есть небольших изолированных популяций микроорганизмов. Выработка энзимов продолжается даже в условиях снижения численности микробов. Популяция бактерий Candidatus Reconcilibacillus Cellulovorans, которая выращивалась на протяжении трех лет, создавала целлюлазы, организованные в «удивительно прочные белково-углеводные комплексы». По мнению исследователей, их стабильность делает ферменты пригодными для промышленного производства биотоплива, поскольку другие энзимы быстрее разлагаются при высоких температурах.

Исследование началось с изучения образцов компоста из города Вакавилл, штат Калифорния. Метагеномный анализ показал, что 70% ферментной активности приходилось на целлюлазы, выработанные скоплением некультивируемых бактерий в компосте. Ученые обнаружили, что энзимы легко разлагают целлюлозу в растительной биомассе до глюкозы при температурах до 80°C.

По словам Сингера, такие бактерии трудно культивировать в лаборатории. Команда исследователей выращивала их в условиях, которые были приближены к естественным. Так ученые получили новые типы ферментов, которые производятся только микробными сообществами.

Биомасса, в отличие от других ВИЭ, может быть преобразована непосредственно в жидкое топливо — его наиболее распространенными видами на сегодняшний день являются этанол и биодизель, получаемые преимущественно из сельскохозяйственных культур. На рынке в меньших объемах также представлено биотопливо второго поколения, в первую очередь целлюлозный этанол, который производится методами пиролиза биомассы из непродовольственного сырья. Также ведутся разработки третьего поколения биотоплива, получаемого из водорослей, и четвертого, не требующего разложения биомассы, — это электротопливо и солнечное топливо.

Расщепление целлюлозы является серьезной проблемой при разработке стратегий получения биотоплива из биомассы. Для этого, как пишет портал Phys.org, ученые ищут высокоэффективные ферменты. Разложение — это первый этап процесса. Чтобы получить этанол, бутанол и другие виды биотоплива, сахара́, основной продукт расщепления, необходимо ферментировать. Для этого используются различные микроорганизмы, включая дрожжи и цианобактерии.

Хотя биотопливо исследуется уже несколько десятилетий, перспективы его применения в мировой энергетике остаются неоднозначными — этот вопрос по-прежнему вызывает ожесточенные дискуссии как среди ученых, так и среди политиков. Разногласия связаны с сомнениями в рентабельности и с необходимостью использования сельскохозяйственных культур для производства наиболее распространенного биотоплива первого поколения, которые вместо этого могли бы применяться для обеспечения продовольственных нужд. Затяжная неопределенность замедлила прогресс в этой отрасли, а другие зеленые технологии, такие как ветровая и солнечная энергия, за это время развились до такого уровня, при котором биотопливу будет очень сложно отвоевать свою нишу. Как отмечается в статье на сайте Массачусетского технологического института, у многих людей складывается впечатление, что «окно возможностей» в этой области либо еще не открывалось, либо уже закрыто.

Одним из символов растущей неопределенности в отрасли стала готовящаяся продажа крупнейшего завода по производству целлюлозного биотоплива в Неваде, штат Айова, стоимостью 225 миллионов долларов и мощностью 113 миллионов литров топлива в год. Официальная причина этого решения — слияние химической компании DuPont, которой принадлежит завод, с DowChemical. Однако многие эксперты подозревают, что продажа предприятия связана с усиливающимися кризисными явлениями на рынке биотоплива. Агентство по охране окружающей среды США в 2007 году прогнозировало, что к 2020-му в стране будет ежегодно производиться 3,8 миллиарда литров целлюлозного этанола, однако в этом году, по оценке Ассоциации производителей возобновляемых видов топлива (RFA), объем составит лишь 26,5 миллиона. Но DuPont заверяет, что продолжит разработку соответствующих технологий и займется «обеспечением плавного перехода» для участников рынка.

Автор

Екатерина Селиванова