エネルギー危機、水不足、汚染は、持続可能な環境の存在が直面する主要な課題の 1 つです。持続可能な原料から得られる再生可能エネルギーは、化石燃料の負荷を減らし、温室効果ガス (GHG) の排出を抑えることができます。バイオ燃料、特にバイオエタノールとバイオディーゼルは、2000 年代初頭以来、最も有望で環境に優しい代替燃料の 1 つとして宣伝されてきました。この点で、藻類由来のバイオ燃料は、減少しつつある化石燃料埋蔵量の救世主になる可能性を秘めています.
藻類は、シアノ バクテリア (微細藻類) から巨大なケルプ (大型藻類) に至るまで、光合成生物の多様なグループ (約 100,000 株) です。微細藻類ハーネス CO2 タンパク質、炭水化物、脂質、および付加価値製品 (カロテノイド、ビタミン、およびステロール) を含む生体分子を合成するための大気からの太陽光。エネルギー豊富な化合物、特に細胞内脂質貯蔵物は、バイオディーゼル生産の潜在的な原料として機能します。蓄積された炭水化物は単純な発酵によってバイオエタノールに変換することができ、藻類の付加価値製品は栄養補助食品の代替供給源になる可能性があります。さらに、微細藻類はCO2を捕獲することができます 環境や産業廃棄物の流れからの重金属を軽減し、環境に優しい影響をもたらします。
微細藻類はバイオ燃料や重金属の削減に大きな可能性を秘めていますが、大規模な利用にはまだ長い道のりがあります。バイオ燃料生産と金属バイオレメディエーションの経済的な生産を促進できる主な要因には、藻類バイオマス生産性の向上、大量/豊富な原料の利用、脂質/炭水化物の費用対効果の高い抽出、および高価値のための残留バイオマスの利用が含まれます。製品。灌漑に適さない海水や汽水を利用することで、これらの微生物を培養するための淡水資源、土地、栄養素と競合しないため、藻類養殖のジレンマが解決されます。
この目的のために、私たちの研究努力は、海水で成長できる地元の湖からの高脂質蓄積微細藻類株のバイオプロスペクティングに向けられました。分離株の中で、Scenedesmus sp。 IITRID2 は天然の海水 (35 g/L 海塩) に耐えることができ、高い脂質と炭水化物含有量の蓄積とともに急速な成長率を示しました。実験室規模とパイロット規模の両方での一連の生理学的および生化学的研究 (実際の温度と光の変動を模倣するために夏の屋外条件下で動作するフォトバイオリアクターで) により、微細藻類の海水順化特性に関する詳細な洞察が得られました。このような適応は、グルコース、マンノース、ガラクトース、フコース、およびリボースを含む構造および貯蔵機能に関連する中性糖の増加に起因していました.
炭水化物の再編成は、高塩分の有害な影響を回避する際に細胞成分と膜透過性を再配線するのに役立つ可能性があります。さらに、従来のディーゼル エンジンにおけるバイオディーゼルの適用性は、米国および欧州連合の燃料標準プロトコルを使用してその燃料特性を分析することによって検証されました。
次に、藻類の生物学者や業界にとって重要な関心事である、淡水微細藻類がそのような高塩分条件にどのように正確に適応したかを理解しようと試みました。淡水ではなく海水で培養した場合に、遺伝子、タンパク質、および代謝産物レベルで発生する微細藻類の変化を解読するための体系的なワークフローを設計しました。その結果、微細藻類は、イオンチャネルを制限し、表面電位を低下させ、淡水媒体と比較して余分な多糖類を排出することにより、膜透過性を改造したことが示されました.
興味深いことに、100% ASW 培養では脂質の蓄積が大きく、デンプン顆粒がほとんどない細胞構造の崩壊に伴う細胞サイズの増加が、対照細胞と比較して微細藻類の電子顕微鏡写真で視覚化されました。プロテオミクス、メタボロミクス、リピドミクスで構成される「統合オミクス アプローチ」に基づいて、代謝モデルの開発と非耐塩性藻類種の操作のための遺伝子標的の特定に役立つ、塩分駆動の代謝経路が仮定されました。
次の課題は、環境に存在する有毒な重金属の修復にこの特定の微細藻類を利用することでした.これにより、ヒ素やカドミウムなどの重金属をバイオディーゼル生産とともに軽減するための相乗的な手法の開発につながりました。 Scenedesmus sp。 IITRIND2 は、500 mg/L のヒ素形態 (III、V) と 100 mg/L のカドミウムの両方に耐える並外れた能力を示しました。ヒ素 (III、V) では 87%、カドミウムでは 95% という高い除去効率が、井戸水を模倣した培養培地で 50 mg/L の初期金属濃度で記録されました。微細藻類は、重金属ストレス下で培養した場合、乾燥細胞重量の約 40 ～ 45% の脂質含有量も示しました。脂質から生成されたバイオディーゼルも国際的なバイオディーゼル基準に準拠しており、このようなハイブリッド アプローチの実現可能性を示しています。
実際、Scenedesmus の可能性を探求することで、最終的にはさらに一歩前進したいと考えています。 sp。実際の廃水と浸出水を使用した、インドの土壌にあるオープン レースウェイ池での IITRIND2。これに向けた小さな一歩が、インド工科大学ルーキー キャンパスから得られた地元の日用品廃水でこの微細藻類を培養することによって、私たちのグループによって開始されています。廃水のバイオレメディエーションに関して得られた結果は非常に有望であり、塩素の緩和とともに、約 75% の全有機炭素、約 94% の化学的酸素要求、約 90% の全窒素、および約 93% の全リンが除去されます (~ 91 %)、フッ素 (~ 89%)、臭化物 (~ 66%) をわずか 10 日間の培養でそれぞれ検出しました。微細藻類はまた、バイオディーゼルとバイオエタノールに変換される細胞内脂質と炭水化物を多く蓄積しました。
要約すると、私たちは、培養培地としての海水のテスト、代謝モデルの開発、バイオ燃料生産と廃水および重金属修復の統合など、藻類養殖の商業化の障壁のいくつかに体系的に対処しました。これらの協調的な取り組みは、バイオ燃料およびバイオレメディエーションのための大規模な微細藻類培養の初期化に向けて焦点を当てており、近い将来、その持続可能な応用を促進することができます。確かに、Scenedesmus などの堅牢で生産性の高い微細藻類株 sp。 IITRID2 は、地球をエネルギー危機、気候悪化、飲料水の汚染から救う答えとなる可能性があります。私たちの研究は、藻類ベースのバイオエコノミーの実現に向けた基礎的なステップとなり、その後、藻類が世界のニーズに燃料を供給する「緑の鉱山」になるのに役立つと信じています.
参考文献:
<オール>
