Выращивание и переработка морских водорослей
Несмотря на то, что это относительно новая отрасль сельского хозяйства, выращивание водорослей часто рассматривается как решение многих проблем, связанных с продовольственной безопасностью, таких как нехватка земли, изменение климата, неэффективное и неустойчивое использование удобрений, а также связанная с этим утечка питательных веществ и загрязнение воды. Водоросли можно выращивать независимо от пахотных земель и, особенно в случае многих микроводорослей, производить богатую маслом и/или белком биомассу с пространственной эффективностью, намного превышающей эффективность наземных растений. Тем не менее, водоросли и продукты, полученные из водорослей, почти исключительно производятся для дорогостоящих и мелкооптовых рынков и далеки от того, чтобы конкурировать с дешевыми товарами, такими как растительные белки или ископаемое топливо. Основной причиной этого считаются высокие инвестиционные и производственные затраты. Разработка новых технологий производства; монетизация экосистемных услуг, таких как очистка воды, секвестрация CO-2 и повторное использование питательных веществ; а также одновременное производство и сбыт «дорогих, малых объемов» и «малоценных, больших объемов» продуктов из одной и той же биомассы водорослей являются наиболее многообещающими путями вперед. Устойчивая «индустрия водорослей» может стать неотъемлемой частью биоэкономики будущего, обеспечивая более ресурсоэффективное производство продуктов питания и топлива и создание новых продуктов, компаний и рабочих мест.
Производство водорослей: история, настоящее и будущее
Водоросли представляют собой полифилетическую группу организмов из четырех различных биологических царств: бактерии, растения, хромисты и простейшие. Около 44 000 видов были научно описаны, но реальное число, хотя и зависит от того, какое определение «водорослей» используется, будет намного выше, а по некоторым оценкам оно достигает миллиона различных видов. Будучи фотоавтотрофными организмами, водоросли являются отправной точкой большинства пищевых сетей в водных экосистемах. Продуктивность биомассы многих видов водорослей намного выше, чем у наземных растений, и их можно эффективно культивировать без антибиотиков и пестицидов в пресной или морской воде. Эти факторы, а также высокое содержание в них витаминов, полиненасыщенных жирных кислот и других полезных соединений привели к увеличению потребительского спроса и коммерческого интереса к производству водорослей в течение последних десятилетий.
Морские водоросли использовались в качестве пищи и лекарств на протяжении как минимум
14000 лет. Первые сельскохозяйственные работы по выращиванию морских водорослей в Восточной Азии датируются как минимум 1640 годом, хотя, возможно, намного раньше. С другой стороны, потребление микроводорослей исторически было редкостью. Единственным часто упоминаемым примером является сбор встречающейся в природе спирулины, рода цианобактерий, народом ацтеков в долине Мексики и народом канембу вокруг озера Чад. Крупномасштабное выращивание микроводорослей и морских водорослей — это совершенно новая отрасль аквакультуры, возникшая только в середине двадцатого века, когда мировое промышленное производство водорослей было близко к «нулю» тонн. Первым коммерческим культивированием микроводорослей было Chlorella vulgaris , которое началось в Японии в 1960-х годах. Согласно оценке, в 2004 году мировое производство микроводорослей составляло около 5000 тонн (сухой вес) и 1,25 миллиарда долларов США в год. С тех пор производство, вероятно, значительно увеличилось; однако на удивление трудно найти надежные данные об этом. Производство морских водорослей также быстро росло: по оценкам ФАО, мировое производство увеличилось более чем вдвое, с 14,7 млн тонн (сырого веса) в 2005 году до 30,4 млн тонн в 2015 году, что составляет примерно 6 млрд долларов США. По сравнению с мировым сельскохозяйственным производством, составляющим примерно 1,6 трлн тонн, это по-прежнему крайне мало.
Из 220 видов морских водорослей, которые используются в коммерческих целях, большинство выращивают на шельфе, в морской среде, в то время как в дикой природе добывается лишь около 1,1 миллиона тонн — число, которое в последние годы не менялось. Большая часть произведенных морских водорослей используется либо в пищу человеком (примерно 47%), либо для производства гидроколлоидов (более 50%), таких как агар, каррагинан и альгинат. Продуктивность различных морских водорослей на прибрежных фермах в Японии составляет от 1,3 кг/м2 для Laminaria angustata до 8,3 кг/м2 для Sargassum macrocarpum и, таким образом, сравнима с продуктивностью наземных культур. По оценкам Всемирного банка 5 млн квадратных километров площади выращивания морских водорослей — примерно 0,3% поверхности океана — было бы достаточно для производства такого же количества биомассы, какое ежегодно производится во всем мировом сельском хозяйстве.
Несмотря на то, что микроводоросли пространственно более продуктивны, чем наземные растения и макроводоросли — например, спирулина производит примерно в 10 раз больше биомассы на гектар, чем высокоурожайные гибриды кукурузы, — их производство все еще дороже, особенно из-за высоких первоначальных капиталовложений и производственных затрат. По этой причине производство микроводорослей в основном сосредоточено на производстве «малых объемов, но ценных» продуктов, таких как β-каротин, астаксантин, докозагексаеновая кислота, докозапентаеновая кислота, фикобилиновые пигменты и экстракты водорослей, для использования в косметике вместо «больших объемов, но малоценных» продуктов, таких как биотопливо, продукты питания или корма. То же самое касается морских водорослей, которые некоторые также считают идеальной культурой для производства биотоплива из-за высокого содержания углеводов, составляющего примерно 50%. При таких низких ценах на ископаемое топливо в настоящее время мало шансов на конкурентоспособность. Одним из способов преодоления этой проблемы в случае производства микроводорослей является либо разработка масштабируемой технологии фототрофного производства, либо разработка убедительной концепции биопереработки для многократного использования биомассы водорослей. Ограничение света и технологические ограничения являются наиболее сложными задачами. Другой подход ориентирован на монетизацию экосистемных услуг, которые могут предоставить водоросли: очистка воды, смягчение последствий изменения климата и так далее. Этот подход, хотя и многообещающий, требует значительных изменений в законодательном устройстве экономической системы и, таким образом, является весьма противоречивым.
Идеальная система производства микроводорослей
Идеальная производственная система для выращивания водорослей не ориентирована только на производство одного продукта. Вместо этого она использует преимущества экосистемных услуг, которые могут предоставлять водоросли, и извлекает несколько продуктов из одной и той же биомассы. Это имеет как экономические, так и экологические преимущества. Сегодня установлены три различных метода производства: системы открытого бассейна, фотобиореакторы и ферментеры. Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки. Решение о том, какую из них выбрать, должно сильно зависеть от конечного продукта и/или применения, видов микроводорослей и производственных затрат. Наряду с доступностью воды (особенно для выращивания пресноводных видов) и высоким уровнем солнечной радиации важными факторами, которые следует учитывать, являются затраты на рабочую силу и энергию, поскольку они являются основными факторами производственных затрат. Однако это было бы слишком просто. Пресноводные водоросли можно, например, использовать для обработки сточных вод или в районах с избытком пресной воды. С другой стороны, ферментация легко масштабируется, относительно дешева и интересна для «переработки» органических соединений углерода, таких как декстроза или кислота, в биомассу, которая богата такими соединениями, как омега-3 или антиоксидантами. Кроме того, CO-2 от ферментации можно использовать для повышения производительности фотобиореакторов.
Когда дело доходит до фотобиореакторов, системы открытого бассейна, как правило, дешевле в строительстве и эксплуатации. Поэтому для крупномасштабного производства биомассы с низкой себестоимостью закрытые фотобиореакторы обычно считаются непригодными. Однако закрытые биореакторы или ферментеры идеально подходят для выращивания высококачественных стартовых культур, которые используются для инокуляции биореакторов открытого бассейна. Кроме того, когда речь идет о ценных продуктах, закрытые фотобиореакторы часто идеальны, потому что они реализуют процессы выращинваия более надежно и менее подвержены вредителям, чем системы открытого бассейна. Закрытые фотобиореакторы также требуют больше энергии для газообмена, чтобы избежать окислительного стресса. Однако их также можно более эффективно использовать для секвестрации CO-2 от дымовых газов, чем открытые системы.
Чтобы помочь снизить затраты на производство больших объемов малоценных продуктов, полученных из водорослей, одновременное производство дорогостоящих продуктов из той же биомассы представляется наиболее многообещающим путем.
Пигменты, такие как хлорофилл, каротиноиды или фикобилипротеины, а также биологически активные соединения, используемые для фармакологического применения, могут быть извлечены из водорослей как побочные продукты экстракции масла или белка. Это может помочь компенсировать высокие затраты на выращивание и сбор урожая и, таким образом, сделать и водорослевые белки более конкурентоспособными. Однако в этом методе экстракции используются химические вещества, такие как метанол и гексан, которые могут увеличить воздействие на окружающую среду.
Водоросли и их потенциал в биоэкономике будущего
Поскольку для производства водорослей требуется не только вода и углекислый газ, но и ряд макроэлементов, таких как азот и фосфор, это может быть идеальной производственной системой для производства биомассы из определенных потоков отходов. Значительное количество этих питательных веществ используется в сельском хозяйстве и попадает в моря и озера, что часто приводит к вредоносному цветению водорослей. Выращивание морских водорослей в дельтах, устьях рек или заливах может не только принести прибыль от этого ресурса, но и помочь уменьшить воздействие на окружающую среду биогенных стоков, образующихся в результате сельскохозяйственной деятельности.
Еще один вопрос, который приобретает все большее значение, заключается в том, как перерабатывать потоки городских отходов. По оценкам, к 2050 году 68% населения мира будет жить в городах. Потенциальным решением для повторного использования питательных веществ в таких обстоятельствах может быть городское/вертикальное выращивание водорослей, потенциально в помещении, например, под теплицами на крышах, с использованием закрытых или полузакрытых реакторных систем. Уже есть несколько реализованных концепций, таких как «Algenhaus» в Гамбурге, Германия, и множество теоретических концепций о том, как интегрировать фермы водорослей в современную архитектуру.
Биоочистка сточных вод приобретает все большее значение, особенно в городских условиях, и поэтому это одно из применений микроводорослей, вызвавшее наибольший интерес. Используя фототрофные водоросли в процессе биоремедиации, затраты на энергию и выбросы парниковых газов при очистке сточных вод могут быть снижены, поскольку будет создаваться биомасса, которую можно перерабатывать в биогаз или топливо, а кислород, вырабатываемый водорослями, потенциально может быть использован для других этапов обработки, таких как аэробная ферментация, чтобы повысить их эффективность. И наоборот, СО-2, который образуется при сжигании биогаза, можно подавать в биореакторы для увеличения роста водорослей. В дополнение к производству питьевой воды и связыванию невозобновляемых питательных веществ, таких как фосфаты, и возобновляемых питательных веществ, таких как азот, водоросли как часть очистки сточных вод, таким образом, уменьшат воздействие этого процесса на окружающую среду. Вероятным недостатком по сравнению с «традиционной» очисткой сточных вод будет потребность в большем пространстве. Около 100 га открытых прудовых биореакторов будет достаточно для очистки сточных вод от 165000 до 235000 человек. Территория такой станции очистки сточных вод/водорослевой фермы не должна ущемлять сельскохозяйственные угодья или жилое пространство городского населения.
Наземные фермы водорослей
Выращивание микроводорослей на суше в идеале должно происходить на непахотных землях. Доступно множество примеров систем открытых прудов или фотобиореакторов в засушливых регионах, таких как пустыня Арава (Израиль), пустыня Атакама или прибрежная пустыня Марокко. Прибрежные пустыни являются отличным местом для выращивания морских микроводорослей, поскольку пресная вода не используется, а используемая морская вода практически не ограничена. Выращивание пресноводных водорослей должно происходить либо в городских районах, в идеале в рамках очистки сточных вод, либо в зонах с влажным климатом, где пресная вода не является ограниченным ресурсом. В таких районах «микрофермы» с открытыми бассейнами могли бы помочь в борьбе с недоеданием на местном уровне и сделать фермеров независимыми от повышения цен на пахотную землю и удобрения.
Варианты, которые занимают меньше всего места, — это ферментёрные системы, которые можно использовать для переработки менее ценных продуктов, таких как органические углеродные соединения, в более ценные продукты (полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК), пигменты).
Фермы морских водорослей
Классические фермы по выращиванию морских водорослей устанавливаются на береговой линии, как отдельные фермы по выращиванию морских водорослей или как интегрированные мультитрофические фермы, реализующие процессы по разведению рыбы/беспозвоночных в сочетании с производством морских водорослей в одном и том же месте и в то же время. Это также могло бы помочь улавливать стоки удобрений с районов интенсивного земледелия и, таким образом, предотвращать ущерб прибрежным водным экосистемам. Другой вариант, морские фермы по выращиванию морских водорослей, кажется слишком дорогим для реализации и эксплуатации, хотя это может измениться в будущем.
Морские фермы по выращиванию микроводорослей являются частью исследовательских проектов, но все еще находятся на очень предварительной стадии. Идея состоит в том, чтобы плавающие закрытые биореакторы располагались на поверхности воды. Преимущества плавучих ферм микроводорослей, помимо отсутствия необходимости в земле, заключаются в том, что естественные условия могут обеспечивать перемешивание, а морская вода может обеспечивать охлаждение фотобиореакторов.
Специальные системы Aquaponic на основе сине-зеленых водорослей
Азотфиксирующие цианобактерии (сине-зеленые водоросли) долгое время использовались в качестве инокулята на рисовых полях для повышения урожайности. Подобные цианобактерии являются естественными симбионтами некоторых бобовых и известны своим потенциалом N-фиксации. Эти цианобактерии могут фиксировать азот в качестве макроэлемента из воздуха и одновременно извлекать фосфор из сточных вод, что было бы интересным применением и расширением традиционного использования этих видов.
Создание индустрии водорослей и ее социально-экономические последствия
Промышленность водорослей не старше 70 лет и в настоящее время в основном производит экстракты для пищевых продуктов и других отраслей, таких как косметика и медицина. Высокие темпы роста в этих секторах, а также новые инновации, такие как устойчивая упаковка из морских водорослей, заменяющая пластмассу на масляной основе, вселяют оптимизм в отношении будущего выращивания водорослей. Но помимо производства чистой биомассы существует огромный потенциал для развития устойчивой индустрии водорослей по всей цепочке создания стоимости, поддерживаемой сильными прикладными исследованиями и повышением ценности коллекций штаммов и генетических ресурсов, а также патентами, новыми приложениями, технологиями, и разработки продуктов. Это может стать важным шагом на пути к развитию биоэкономики при создании новых возможностей для образования, инноваций, услуг и рабочих мест.
Разработка инструментов для финансирования проектов («фонд водорослей») и исследований
Азиатские производители микроводорослей и морских водорослей в настоящее время являются основными драйверами роста. Количество компаний по производству водорослей в Европе выросло, но их влияние все еще невелико. Производство биомассы водорослей в ЕС (0,23 млн тонн в свежем виде) составило менее 1 % от мирового производства в размере 30,4 млн тонн в 2015 году. Однако текущие политические приоритеты ЕС благоприятствуют переходу к устойчивой экономике и, следовательно, развитию сектора водорослей, например, Стратегия биоэкономики ЕС. Стратегия синего роста ЕС и Европейский зеленый курс ЕС также финансирует проекты помощи в целях развития, связанные с выращиванием водорослей, например, проект стоимостью 8 миллионов евро, призванный помочь общинам канембу в Чаде адаптироваться к последствиям изменения климата и развивать возобновляемые источники энергии, предоставляя технологии для более эффективного выращивания и сушки спирулины. Работу выполняют в основном женщины. Увеличение объемов и качества продукции могло бы создать для них больше рабочих мест и доходов.
Есть много примеров социально-экономической выгоды производства водорослей в развивающихся странах. Сбор водорослей Eucheuma на Занзибаре составляет 7,6% ВВП острова, а всего в отрасли морских водорослей Танзании занято 30 000 человек.
Недавно на Бали выращивание морских водорослей пережило новый бум после того, как примерно десять лет назад оно было свернуто. Из-за всем известного популярного заболевания туристическая индустрия рухнула, и было заново открыто выращивание морских водорослей, приносящее рабочим доход до 400 долларов США в месяц. Это чуть больше половины того, что было у людей до пандемии, но показывает, что диверсификация может помочь преодолеть такой кризис.
Выращивание водорослей может внести важный вклад в обеспечение продовольственной безопасности будущих поколений, особенно в регионах мира, где из-за роста населения имеющихся пахотных земель может оказаться недостаточно. Это особенно актуально для Африки, где к 2100 году на человека будет приходиться от 458 до 629 м 2 пахотных земель. Если интегрировать в сельскохозяйственную систему по кругу, выращивание водорослей может снизить потери питательных веществ и выбросы парниковых газов, а также обеспечить экологически чистую энергию. Чтобы это стало реальностью, производство водорослей должно стать дешевле, чтобы конкурировать с дешевыми продуктами в больших количествах, такими как масло. Новые технологии и масштабирование производства водорослей, как это уже происходит сегодня, могут иметь важное значение. Для производителей водорослей повышение ценности коллекций штаммов и генетических ресурсов, а также патентов, новых приложений, технологий и разработок продуктов является важным шагом вперед. Однако в более широком масштабе важно, чтобы правительства поддерживали исследовательские программы по выращиванию и переработке водорослей и принимали законодательство, которое стимулирует устойчивое производство, препятствуя, например, загрязнению путем введения налога на выбросы углерода или аналогичных мер, связанных с загрязнением чрезмерным внесением удобрений. Только если внешние факторы, вызванные, например, сжиганием ископаемого топлива, чрезмерным использованием удобрений или вырубкой лесов для производства продуктов питания, отражаются в цене продуктов, устойчивые технологии, такие как производство водорослей, могут стать конкурентоспособными за относительно короткий период времени.