Mikroalgi jako superproducent energii i oczyszczacz powietrza: jak działa technologia, która może zmienić miasta?
Czy możliwa jest przyszłość bez smogu, dramatycznej zmiany klimatu, kryzysu energetycznego i powszechnego głodu na świecie? Optymistyczni naukowcy twierdzą, że tak, wskazując jako rozwiązanie mikroskopijne glony obecne… dosłownie wszędzie. Mikroalgi, choć tak niepozorne i proste, mogą stać się remedium na kluczowe problemy współczesnego świata, jeśli tylko człowiekowi uda się wykorzystać drzemiący w nich potencjał.
Co to są mikroalgi?
Czy mikroalgi to to samo co glony? Tak, ale w najmniejszej możliwej skali. Zaliczamy do nich jednokomórkowe organizmy zdolne do procesu fotosyntezy, zarówno tzw. prokarionty (nieposiadające jądra komórkowego), jak i eukarionty, czyli klasyczne jądrowce. Ich cechą wspólną jest zdolność do życia w bardzo różnych warunkach i szybkiego rozmnażania. Naukowcy od lat już myślą o mikroalgach w kategorii źródła żywności dla stale rosnącej populacji na Ziemi. Ich produktywność jest o tyle atrakcyjna, że może być wykorzystana wraz z nowymi technologiami takimi jak inżynieria genetyczna.
Szacuje się, że na świecie jest ok. 200 – 800 tysięcy gatunków mikroalg, z czego jak dotąd opisano zaledwie ok. 50 tys. Te najczęściej uprawiane, o największy znaczeniu gospodarczym, należą do rodzajów Chlorella, Dunaliella, Rhodella, Chlamydomonas, Oedogonium, Porphyra, Botryococcus i in.
Dlaczego tak proste organizmy mają tak niezwykły potencjał? Procesy metaboliczne zachodzące w mikroalgach prowadzą do powstania tysięcy unikalnych związków, łącznie z substancjami kluczowymi dla ludzkiego zdrowia, np. karotenoidami. Co więcej, naukowcy dowiedli, że pod wpływem zmieniającego się środowiska mikroalgi potrafią zmieniać swój skład chemiczny, co sprawia, że stanowią fascynującą biologiczną fabrykę – trzeba tylko wiedzieć jak ją optymalnie wykorzystać.
Mikroalgi w produkcji zielonej energii – biopaliwa
Kluczem do wykorzystania mikroalg w transformacji energetycznej świata jest właśnie fotosynteza. Proces pochłaniania energii słonecznej i dwutlenku węgla z atmosfery dla tych mikroskopijnych organizmów jest po prostu sposobem na przetrwanie; dla człowieka otwiera jednak ogromny potencjał. A nasze zapotrzebowanie na energię nieustannie rośnie.
Po pierwsze, mikroalgi jako biomasa mogą być wykorzystane do produkcji biopaliw. W porównaniu z tradycyjnymi surowcami takimi jak kukurydza, soja, proso czy topole, hodowla glonów nie wymaga ogromnych obszarów lądu ani dużych ilości wody – nie konkuruje więc z uprawą żywności. Mikroalgi można tymczasem pozyskiwać z morza, zbiorników słodkowodnych, ścieków, a nawet resztek spożywczych. W porównaniu z roślinami wyższymi mają one wyższy przyrost masy przy mniejszym zapotrzebowaniu na składniki odżywcze.
W rezultacie glony Chlorella vulgaris, Nannochloropsis oceanica, Dunaliella salina, Botryococcus, Desmodesmus, Neochloris, Scenedesmus oraz Tetraselmis są skutecznie przekształcane w biodiesel. Naukowcy, kontrolując warunki uprawy, potrafią już zwiększać poziom lipidów w poszczególnych gatunkach, co czyni paliwo jeszcze bardziej efektywnym energetycznie. Dalszy wzrost zawartości lipidów w biomasie z glonów będzie możliwy dzięki zaawansowanej inżynierii genetycznej.
Biomasa z glonów może być spalana w sposób bezpośredni, poddawana ekstrakcji w celu wyłączenia lipidów potrzebnych do produkcji bio-diesla, przekształcana chemicznie w metanol i etanol, a także transformowana w ramach pirolizy w ciekłe i stałe biopaliwa.
Z mikroalg można pozyskiwać biopaliwa, m.in. etanol, fot. ThamKC/envato
Energia elektryczna z mikroalg
Mikroalgi to jednak nie tylko doskonały materiał na biomasę. Nowoczesna technologia AFC (z ang. Algae Fuel Cells) pozwala wykorzystać proces fotosyntezy i oddychania komórkowego glonów bezpośrednio do produkcji energii elektrycznej. Dzięki specjalnie skonstruowanym urządzeniom bioelektrycznym mikroorganizmy pobierają energię słoneczną i w ramach procesów komórkowych przetwarzają ją na energię chemiczną, która potem zamieniana jest w prąd.
Technologia bio-ogniw na bazie mikroalg jest jeszcze w powijakach, ale pierwsze doświadczenia są bardzo obiecujące. Póki co AFC to rozwiązanie wyłącznie do urządzeń o niskim zapotrzebowaniu na energię, takich jak sensory internetu. Co ważne, sam proces produkcji ogniw mikro-fotosyntezujących nie wiąże się z wykorzystaniem substancji niebezpiecznych dla środowiska, a mikroalgi w takim zastosowaniu nie tylko nie produkują dodatkowego dwutlenku węgla, ale go aktywnie pochłaniają!
Bio-ogniwa wykorzystujące mikroalgi mogą dodatkowo wspomóc oczyszczanie wody w miastach. Glony można bowiem pozyskiwać ze ścieków, a cały proces wygeneruje szereg korzyści ekologicznych i ekonomicznych.
Tabela przedstawiająca zastosowania mikroalg w rozwoju miast; opracowanie własne
Oczyszczanie powietrza z wykorzystaniem mikroalg
Co roku zanieczyszczenie powietrza spowodowane działalnością człowieka jest przyczyną przedwczesnej śmierci 7 milionów ludzi na świecie. Dbałość o jakość powietrza we wnętrzach i na ulicach miast stała się jednym z priorytetów ochrony zdrowia publicznego. Mikroalgi w swojej fascynującej wielofunkcyjności okazują się przydatne również w tym zakresie.
Technologia oczyszczania powietrza za pośrednictwem mikroalg (MAPT) wykorzystuje naturalną potrzebę mikroskopijnych glonów do pozyskiwania związków chemicznych z atmosfery. W rezultacie zanieczyszczenia są wiązane w ramach procesów metabolicznych, a jako produkt przemiany materii wydalany jest… tlen.
Pomysł w rzeczywistości odzwierciedla procesy funkcjonujące na Ziemi – nasza planeta radzi sobie od milionów lat dzięki naturalnej klimatyzacji i filtracji powietrza, którą przeprowadzają rośliny. Mikroalgi w szczególności pochłaniają ogromne ilości dwutlenku węgla, wiążąc je w sobie z 50 razy większą efektywnością niż rośliny lądowe. W Belgradzie w 2021 r. wprowadzono już innowacyjne ławki działające jako foto-bioreaktory – w 600-litrowym akwarium z wodą żyją mikroalgi pochłaniające CO2 i wydalające tlen prosto na ulice miasta. Według naukowców jedna taka ławka jest ekologicznym odpowiednikiem dwóch dziesięcioletnich drzew lub trawnika o powierzchni 200 m2.
Ograniczenia związane z zastosowaniem mikroalg
Wykorzystanie mikroalg w teorii prezentuje się bardzo optymistycznie. Niestety, analitycy zwracają uwagę na przeszkody, jakie trzeba będzie pokonać, zanim glony zaczną napędzać naszą gospodarkę i dbać o zdrowie ludzkie. Podstawowym problemem jest kosztowność procesu pozyskiwania, suszenia i przetwarzania mikroalg. W szczególności ogromnych nakładów wymagają narzędzia do genetycznego sekwencjonowania materiału.
W rezultacie produkcja zielonej energii z glonów jest obecnie absolutnie niekonkurencyjna w stosunku do paliw kopalnych oraz tradycyjnej energii nieodnawialnej z wiatru, słońca i wody. Priorytetem jest więc przekształcenie pionierskich technologii w systemy możliwe do zastosowania w odpowiednio dużej skali.
Mikroalgi mogą odmienić oblicza nowoczesnych miast redukując poziom zanieczyszczenia, fot. chuemoonrin/envato
Mikroalgi w zrównoważonych miastach przyszłości
Jeśli uda się rozwiązać problemy związane z ekonomicznością i efektywnością wykorzystania mikroalg, mikroskopijne organizmy mają szansę zbliżyć miasta ideału gospodarki zamkniętego obiegu i zerowych emisji. To właśnie glony mogą okazać się wybawieniem ludzkości w zakresie produkcji żywności, leków, energii, a także oczyszczania wody i powietrza.
Jednym z ciekawych mikroalg zastosowań już wdrażanych w światowych metropoliach, np. Hamburgu, są bioaktywne zielone fasady. Zamknięte w nich glony pobierają energię słoneczną i dwutlenek węgla z powietrza, generując ciepło potrzebne do ogrzewania budynków. W specjalnych bioreaktorach mikroalgi rozkładają też resztki jedzenia i bioodpady, generując ciepło, energię oraz cenne związki odżywcze do wykorzystania w rolnictwie.
Bardzo możliwe, że przyszłość naszych miast leży więc nie w akcjach sadzenia drzew, ale właśnie w szerszym zastosowaniu mikroalg, które mogą ludzkość nakarmić, ogrzać i wyleczyć!
Mikroalgi – pytania i odpowiedzi
Jak duże są mikroalgi?
Mikroalgi w zależności od gatunku mają rozmiary od 5 do 200 μm – jako pojedyncze komórki są więc niewidzialne ludzkim okiem.
Gdzie można znaleźć mikroalgi w przyrodzie?
Mikroalgi występują we większości ziemskich środowisk, zwłaszcza w słonej i słodkiej wodzie. Do celów technologicznych mogą być pozyskiwane z przyrody lub uprawiane.
Na czym polega gospodarczy potencjał mikroalg?
Mikroalgi to stosunkowo łatwe do kontrolowania organizmy, które szybko się rozmnażają i produkują energię oraz cenne związki chemiczne, pochłaniając CO2 i inne zanieczyszczenia.”
- „The promising future of microalgae: current status, challenges, and optimization of a sustainable and renewable industry for biofuels, feed, and other products” Muhammad Imran Khan, https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12934-018-0879-x, 26/11/2024;
- “Algae as a source of renewable energy: opportunities, challenges, and recent developments” Javid Hussain, https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/se/d2se01599d, 26/11/2024 “Microalgae and Artificial Photosynthesis for Renewable Energy” Vijayalaxmi Kinhal, https://cid-inc.com/blog/microalgae-and-artificial-photosynthesis-for-renewable-energy/, 26/11/2024;
- “Microalgae: a multifaceted catalyst for sustainable solutions in renewable energy, food security, and environmental management” Byung Sun Yu i in., https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12934-024-02588-7, 26/11/2024;
- “Comparative study on conventional and microalgae-based air purifiers: Paving the way for sustainable green spaces” Pradeep Kumar i in., https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2213343723017852, 26/11/2024;
- “Microalgae to bioenergy production: Recent advances, influencing parameters, utilization of wastewater – A critical review” Abhispa Bora i in., https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S004896972404378X, 26/11/2024;
- “Algae utilization and its role in the development of green cities” Kit Wayne Chew i in., https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0045653520335190, 26/11/2024;
