När man odlar alger i utomhusdammar som nästa generations biobränsle, en naturligt varierad blandning av arter kommer att bidra till att minska risken för missväxt, enligt en federalt finansierad studie av forskare vid University of Michigan.

Alghärledd bioråolja studeras som ett potentiellt alternativ för förnybar energi till fossila bränslen. UM-ekologen Bradley Cardinale och hans kollegor fann att odling av flera algarter i 180 akvarieliknande tankar bidrog till att stabilisera produktionen av bioråolja och gjorde systemet mer tillförlitligt och effektivt.

Medan experimentet utfördes inomhus, dess resultat har relevans för utomhusodling, sa Cardinale, medförfattare till en artikel publicerad online nyligen i tidskriften Miljövetenskap och teknik .

"Dessa fynd är viktiga eftersom en av våra största utmaningar när det gäller att göra algbiobränsle överkomligt är att förbättra effektiviteten hos utomhustillväxtdammar och förhindra kraschar som förstör grödor, " han sa.

"Företag spenderar stora summor pengar för att upprepade gånger sätta upp dessa dammar. Om arternas mångfald ökar effektiviteten samtidigt som det minskar risken för en krasch, då minskar det kostnaderna också, sade Cardinale, en professor vid U-M School of Natural Resources and Environment och chef för CILER, kooperativa institutet för limnologi och ekosystemforskning.

Förvånande, forskarna fann också att odling av en blandning av algarter inte ökade produktionen av bioråolja jämfört med arter som odlades ensamma som monokulturer. Faktiskt, konkurrens mellan arter ledde ofta till att blandningar producerade mindre biorå än varje art gjorde individuellt.

Detta fynd står i kontrast till årtionden av ekologisk forskning som visar att samhällen som innehåller mer olika uppsättningar av växter och djur är, i genomsnitt, mer produktiva och effektivare på att använda resurser. På grund av detta tidigare arbete, UM algforskarna hade antagit att en blandning av algarter skulle vara mer produktiva än enstaka arter. Men så var inte fallet.

"Våra resultat tyder på att det finns en grundläggande kompromiss när man odlar algbiobränsle, sa Anita Narwani, en tidigare UM-postdoktor vid Skolan för naturresurser och miljö och huvudförfattare till studien.

"Du kan odla enartskulturer som ger hög avkastning men har stor risk för missväxt. Eller så kan du använda blandningar av arter som ger lägre avkastning men som är mycket mindre benägna att krascha och är mer hållbara över tiden."

UM-arbetet finansierades av 2 miljoner dollar, fyraårigt anslag från National Science Foundation. Tilldelades i juli 2013, bidraget betalades för en tvådelad studie för att identifiera och testa naturligt olika grupper av grönalger som kan odlas tillsammans för att skapa en hög avkastning, ett miljömässigt hållbart och kostnadseffektivt system för att producera nästa generations biobränslen.

Den första fasen av studien involverade att odla olika kombinationer av sex arter av nordamerikanska sjöalger i 180 akvarieliknande tankar vid ett laboratorium i källaren i UM:s Dana-byggnad, hemvist för Skolan för naturresurser och miljö.

Varje 10-liters (2,2-gallon) tank innehöll antingen en, två, fyra eller sex arter av alger. Hälften av tankarna fick en konstant temperatur på 71,6 grader Fahrenheit (22 C). Den andra hälften tilldelades en behandling med variabel temperatur för att simulera utomhusförhållanden. Temperaturen fluktuerade mellan 62,6 och 80,6 F (17 och 27 C) med veckovisa intervall.

Experimentet varade i sju veckor och visade att blandningar av algarter var, i genomsnitt, mer stabil och pålitlig inför temperaturfluktuationer.

Den andra fasen av det NSF-finansierade projektet innebar att fälttesta de mest lovande algarterna och artblandningarna genom att odla dem utomhus i 80 nötkreaturstankar av glasfiber vid universitetets E.S. George Reserve, en 1, 300 hektar stor biologisk station nära Pinckney, Mich. Det arbetet utfördes sommaren 2016, och resultaten analyseras nu.

I båda faserna av studien, kollegor vid U-M's College of Engineering har använt en teknik som kallas hydrotermisk kondensering för att mäta kvantiteten och kvaliteten på de brännbara oljorna, eller biorå, produceras av de olika algkombinationerna. De jämför också förmågan hos system med enstaka och flera arter att återanvända och återvinna avfall för ytterligare tillväxt.

Begränsad tillgång till fossila bränslen, växande global efterfrågan på energi och ökande atmosfäriska nivåer av värmefångande koldioxidgas har nyligen fört biobränslen framställda av alger i framkanten av forskningsprogram för förnybar energi.

Dock, ett antal hinder måste övervinnas för att göra industriell skalaproduktion av algbioråolja genomförbar och ekonomiskt konkurrenskraftig med fossilbränslebaserad råolja. När den odlas i stora utomhusdammar, alger lider av instabilitet i skörden på grund av variationer i solljus och temperatur, samt störningar från skadedjur, sjukdomar och andra oönskade inkräktare.

De Miljövetenskap och teknik papper, "Planktons kraft:effekterna av algernas biologiska mångfald på produktion och stabilitet av bioråolja, " publicerades online den 9 november. Förstaförfattaren Narwani är nu vid det schweiziska federala institutet för vattenvetenskap och teknologi. De andra författarna, förutom Cardinale, är Aubrey Lashaway från School of Natural Resources and Environment, David Hietala från U-M Institutionen för kemiteknik, och tidigare UM-ingenjörsfakultetsmedlem Phillip Savage, nu vid Pennsylvania State University.

Samma forskargrupp, med tillägg av SNRE-postdoktorn Casey Godwin, hade en annan artikel från samma studie publicerad online 29 november i Bioresource Technology. Den visade att när gödselmedel som används för att odla alger återvinns till tankar som innehåller en enda alger, dessa monokulturer misslyckas ofta med att växa – eller till och med dö – när de försöker återvinna och återanvända sitt eget förbrukade gödselmedel.

I kontrast, blandningar av alger överlever inte bara på förbrukat gödningsmedel utan trivs med att återvinna sina egna näringsämnen, ofta odla betydligt mer biomassa genom att återanvända samma gödselmedel om och om igen.

"Att kunna återvinna näringsämnen är viktigt eftersom gödselmedel är dyrt och eftersom oanvända näringsämnen är den enskilt största källan till förorening av vattendrag, sjöar och hav, "Sade Godwin. "Vår studie visar att olika blandningar av alger kan minska användningen av gödningsmedel och återvinna näringsämnen på ett sätt som producerar mer bioråolja."