En mångsidig blandning av arter förbättrar stabiliteten och bränsle-oljeutbytet i algbiobränslesystem, såväl som deras motstånd mot invasion av utomstående, enligt resultaten av en federalt finansierad utomhusstudie av forskare vid University of Michigan.

UM-forskare odlade olika kombinationer av sötvattenalger i 80 konstgjorda dammar vid U-M:s E.S. George Reserve nära Pinckney i den första storskaliga, kontrollerat experiment för att testa den utbredda idén att biologisk mångfald kan förbättra prestandan för algbiobränslesystem i fält.

Övergripande, forskarna fann att olika blandningar av alger, känd som polykulturer, utförde fler nyckelfunktioner på högre nivåer än någon enskild art – de var bättre på multitasking. Men överraskande nog, forskarna fann också att polykulturer inte producerade mer algmassa, känd som biomassa, än den mest produktiva enskilda arten, eller monokultur.

"Resultaten är nyckeln för utformningen av hållbara biobränslesystem eftersom de visar att även om en monokultur kan vara det optimala valet för att maximera kortsiktig algproduktion, polykulturer erbjuder en mer stabil gröda över längre tidsperioder, " sade studiens huvudförfattare Casey Godwin, en postdoktor vid U-M:s Skola för miljö och hållbarhet.

Teamets resultat är planerade att publiceras den 18 juni i tidskriften Global förändring Biologi-Bioenergi .

Alghärledd bioråolja studeras som ett potentiellt alternativ för förnybar energi till fossila bränslen. Eftersom de växer snabbt och kan omvandlas till bioolja, alger har potential att generera mer bränsle från mindre yta än grödor som majs. Men de tekniska utmaningarna med att odla stora mängder av dessa mikroskopiska vattenväxter i stora utomhuskulturdammar har bromsat framstegen mot kommersiell odling.

Utanför – långt från laboratoriets kontrollerade förhållanden – måste ett biobränsleodlingssystem för alger bibehållas stabilt, stabil tillväxt av bränslefärdiga alger vid fluktuerande väderförhållanden, hotet om befolkningskrascher orsakade av sjukdomar och skadedjur, och invasion av störande alger.

Årtionden av ekologisk forskning har visat att växt- och djursamhällen som innehåller en rik blandning av arter är, i genomsnitt, mer produktiva än mindre mångfaldiga samhällen, mer stabil inför miljöfluktuationer, och mer motståndskraftig mot skadedjur och sjukdomar.

Men idén att algpolykulturer kan överträffa monokulturer hade aldrig testats noggrant under storskaliga fältförhållanden. Med finansiering från National Science Foundation och U-M Energy Institute, UM-ekologen Bradley Cardinale och hans kollegor försökte testa denna hypotes, med hjälp av en tvådelad studie.

Den första fasen involverade att odla olika kombinationer av sex arter av nordamerikanska sjöalger i 180 akvarieliknande tankar i källaren i Dana-byggnaden på UM:s Ann Arbor-campus. Alla sex arterna används vanligtvis i biobränslesystem.

Den andra fasen involverade fälttestning av de fyra mest lovande algerterna och artblandningarna genom att odla dem utomhus i 290-liters nötkreaturstankar vid 1, 300 tunnland U-M reserv. Det arbetet gjordes sommaren 2016 och ledde till det kommande Global förändring Biologi-Bioenergi papper.

I båda faserna av studien, kollegor vid U-M College of Engineering använde en teknik som kallas hydrotermisk kondensering för att omvandla algerna till brännbara oljor, eller biorå, som kan förädlas för att göra transportbränslen som biodiesel.

"Först utvärderade vi olika kombinationer av alger i labbet, och sedan tog vi ut de bästa till naturen, där de utsattes för fluktuerande väderförhållanden, skadedjur, sjukdom och alla andra faktorer som har plågat algbaserad bränsleforskning i 40 år, " sa Godwin.

I sin analys av de algprover som samlats in under den 10 veckor långa E.S. George Reserve studie, forskare jämförde monokulturers och polykulturers förmåga att utföra flera jobb samtidigt:att odla massor av algbiomassa, för att ge högkvalitativ bioråolja, att förbli stabil genom tiden, för att motstå befolkningskrascher och att avvärja invasioner av oönskade alger.

Deras analys visade att användningen av polykulturer avsevärt försenade invasion av oönskade alger; att skörden av bioråvara var betydligt högre i polykulturerna med två och fyra arter än i monokulturerna; och att olika grödor av alger var mer stabila över tiden.

Och medan monokulturer tenderade att vara bra på ett eller två jobb åt gången, polykulturer utförde fler av jobben på högre nivåer än någon av monokulturerna, en egenskap som kallas multifunktionalitet.

Men samtidigt, polykulturer producerade mindre biomassa än den bäst presterande monokulturen. Och användningen av polykulturer hade ingen signifikant effekt på omfattningen och tidpunkten för plötsliga, kraftiga nedgångar i algproduktionen som kallas befolkningskrascher.

"Våra resultat tyder på att det finns en grundläggande kompromiss när man odlar algbiobränsle, sade Cardinale, professor vid U-M Skolan för miljö och hållbarhet.

"Du kan odla enartsgrödor som producerar stora mängder biomassa men är instabila och producerar mindre bioråolja. Eller, om du är villig att ge upp lite avkastning, du kan använda blandningar av arter för att producera ett biobränslesystem som är mer stabilt över tiden, mer motståndskraftig mot skadedjur, och som ger mer bioråolja."

Författare till Global förändringsbiologi papper, förutom Godwin och Cardinale, är UM:s Aubrey Lashaway och David Hietala, och Phillip Savage från Pennsylvania State University.

Medlemmar av samma forskargrupp har publicerat andra nya artiklar som undersöker fördelarna med mångfald i algbiobränslesystem för att minimera användningen av gödselmedel, återvinning av avfall, och förbättra de kemiska egenskaperna hos bioråolja.

"Kollektivt, dessa resultat visar hur tillämpning av principer från ekologi kan hjälpa till vid utformningen av nästa generations förnybara bränslesystem, " sa Godwin.