Levän fotosynteesi mahdollistaa hiilineutraalin biopolttoaineen tuotannon
Turun yliopiston tutkimusryhmä on tehnyt löydön, jonka avulla auringon valoenergiaa pystytään tehokkaasti muuttamaan biovedyn kemialliseksi energiaksi solutehtaina toimivien viherlevien fotosynteesin välityksellä. Hiilipäästöjen nollaaminen ilmastonmuutoksen estämiseksi vaatii uusien teknologioiden kehittämistä ympäristöystävällisten biopolttoaineiden tuottamiseksi. Molekulaarista vetyä pidetään yhtenä lupaavimmista energiankantajista korkean energiapitoisuuden ja puhtaan, hiilivapaan, käytön johdosta.
Viherlevät ryöstävät fotosynteesissään elektronit vedeltä ja vapauttavat samalla ilmakehään happea. Auringon valon virittämillä elektroneilla levät tuottavat biomassaa, joka toimii erinomaisena lähtöaineena vesikasvien biomassaan perustuvassa sinisessä biojalostamoprosessissa.
Viherlevät ovat myös tehokkaita biokatalyyttejä ja pystyvät muuttamaan auringon energiaa ja hiilidioksidia suoraan erilaisiksi arvokkaiksi yhdisteiksi kuten vitamiineiksi, antioksidanteiksi, polymeereiksi, hiilihydraateiksi ja biodieseliksi.
– Kun leväsoluja inkuboidaan ensin anaerobisissa oloissa pimeässä, alkavat ne sen jälkeen valotettaessa tuottaa tehokkaasti vetyä, mutta valitettavasti vain muutaman sekunnin ajan, kertoo tutkimusryhmän johtaja, Turun yliopiston molekulaarisen kasvibiologian apulaisprofessori Yagut Allahverdiyeva.
Tutkijat ovat jo vuosikymmeniä uskoneet, että pääasiallinen este levien pidempiaikaiselle vedyntuotolle valossa on niiden tästä prosessista vastaavan hydrogenaasientsyymin tuhoutuminen ilmakehän hapen vaikutuksesta.
– Koska levät kuitenkin fotosynteesissään koko ajan vapauttavat happea, siis valossa samanaikaisesti vedyn tuoton kanssa, on anaerobisten olojen ylläpitäminen valossa ollut erityisen hankalaa, tutkimusryhmän jäsen, erikoistutkija Sergey Kosourov toteaa.
Uusi ekologisesti kestävä tapa tuottaa biovetyä
Turun yliopiston tutkijat päättivät soveltaa levien fotosynteesin perustutkimuksesta saamaansa tietoa ja kehittivät vedyn tuottamiselle uuden luonnollisen menetelmän, joka ei altista viherleviä ylimääräiselle ravintostressille ja siten veden hajotuskoneiston inhibiitiolle.
Tutkijat osoittivat, että vedyn tuottoa valossa voidaan ratkaisevasti pidentää yksinkertaisesti altistamalla anaerobiset leväviljelmät vahvoille mutta lyhyille valopulssijonoille, jotka erotetaan toisistaan pidemmillä inkubaatioperioideilla pimeässä.
– Näissä oloissa viherlevät eivät rikasta happea kasvatusliuokseen. Lisäksi ne ohjaavat veden hajotuksesta peräisin olevat ja auringonvalon avulla viritetyt elektronit vedyntuottoon sen sijaan, että ne tuottaisivat biomassaa. Prosessi säilyy toimintakykyisenä usean päivän ajan ja vedyntuotto on maksimissaan ensimmäisten kahdeksan tunnin ajan, Kosourov kertoo.
Tutkimus selvästi osoitti, että viherlevien vedyntuottoprotokollan kehittämisen esteenä ei ole hydrogenaasientsyymin tuhoutuminen hapen läsnäollessa. Aikaisempi heikoksi todettu vedyntuotto johtuu metabolian vahvasta kilpailusta fotosynteesin virittämien elektronien vastaanottajina. Elektronien käyttö hiilidioksidin pelkistämiseen johtaa biomassan kerääntymiseen, kun taas elektronien luovuttaminen hydrogenaasientsyymille johtaa biovedyn tuottoon.
– Tutkimustulos avaa uusia mahdollisuuksia tehokkaiden elävien solutehtaiden suunnitteluun ja valjastamiseen biopolttoaineiden ja erilaisten kemikaalien tuottamiseksi suoraan auringonvalosta, hiilidioksidista ja vedestä. Suora aurinkoenergian muuttaminen halutuiksi lopputuotteiksi synteettisen biologian mahdollisuuksia hyväksikäyttäen, siis ilman biomassavaihetta, mahdollistaa tehokkaan aurinkoenergian muuttamisen haluttujen lopputuotteiden kemialliseksi energiaksi, Allahverdiyeva sanoo.
Tutkijoiden kehittämä uusi menetelmä on arvokas niin levien fotosynteesin perustutkimuksen kuin teollisen sektorin tutkimus- ja kehitystyön kannalta kehitettäessä uusia teknologioita hiilineutraalien biopolttoaineiden laajamittaiseen tuotantoon.
Tutkimusta rahoittavat Koneen Säätiö, NordForskin huippututkimusyksikkö NCoE:n NordAqua-ohjelma sekä Suomen Akatemia. Tutkimus on osa Suomen Akatemian rahoittamaa Primaarituottajien molekyylibiologian huippuyksikköä, jota johtaa akateemikko Eva-Mari Aro Turun yliopistosta.
Lisätietoa:
Sergey Kosourov, Marina Jokel, Eva-Mari Aro & Yagut Allahverdiyeva: A new approach for sustained and efficient H2 photoproduction by Chlamydomonas reinhardtii. Energy & Environmental Science, 2018, http://doi.org/10.1039/c8ee00054a
HK
Kuva: Christian Fischer
