Pocket K № 24: Биотехнология для зеленой энергии: биотопливо

Биотопливо – это альтернативное топливо, изготовленное из растений и растительных ресурсов. Биотопливо используется в основном для транспорта. Существует два вида биотоплива: биоэтанол и биодизель.

Биоэтанол, основное топливо, используемое в качестве заменителя бензина для автотранспортных средств, в основном производится в процессе ферментации сахара из целлюлозы (крахмала), которую в основном получают из кукурузы и сахарного тростника.С другой стороны, биодизель в основном производится из масличных культур, таких как рапс, пальма и соя (таблица 1).

Таблица 1: Основные энергетические культуры в мире

злаки, сахарный тростник

Источники: Министерство сельского хозяйства США, Министерство энергетики США, Европейская комиссия.

Зачем биотопливо?

Удовлетворение будущих потребностей в энергии

Прогнозируется, что спрос на энергию вырастет на 50% к 2025 году, при этом большая часть увеличения спроса, по прогнозам, будет приходиться на развивающиеся страны. Подавляющее большинство энергии в настоящее время получают из ископаемого топлива, ограниченного, невозобновляемого и загрязняющего окружающую среду ресурса.
Бразилия является мировым лидером в производстве биотоплива: 30% транспортного топлива в настоящее время производится из биомассы. Кроме того, многие страны разрабатывают новые инициативы по производству и использованию биотоплива для транспорта (2; таблица 2). Переход на биотопливо для транспортных нужд снизит энергетическую зависимость от импорта нефти и может ускорить развитие сельских районов, предоставив фермерам дополнительный источник дохода.

Таблица 2. Производство биотоплива, 12 ведущих стран, 2004 г. Адаптировано из (2).

Биоэтанол (млрд литров)

Биодизель (млрд литров)

Несколько стран поставили перед собой цель увеличить долю биотоплива, используемого на транспорте: США планируют к 2025 г. заменить 30% жидкой нефти продуктами, полученными из биомассы (3); Индия поставила цель увеличить долю биотоплива с 5% до 20% к 2012 г. (4); к 2010 г. Европейский союз планирует производить около 6% топлива из биомассы (4).

Сокращение выбросов парниковых газов

Несмотря на неуверенность в понимании чего-то столь сложного, как глобальный климат, существуют убедительные доказательства того, что выбросы парниковых газов в результате деятельности человека приводят к значительному глобальному потеплению. Ископаемое топливо и потребление электроэнергии являются основными источниками парниковых газов.Киотский протокол (5), международное соглашение, заключенное в рамках Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата (РКИК ООН), было принято с целью стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере на уровне, который предотвратил бы опасное вмешательство человека в глобальный климат.

Экологические преимущества биотоплива

Основное экологическое преимущество биотоплива заключается в том, что оно является углеродно-нейтральным: углекислый газ, который они выделяют при сгорании, первоначально извлекается из атмосферы во время производства биомассы, что приводит к нулевым чистым выбросам парниковых газов.

Биотопливо также снижает выброс летучих органических соединений, поскольку добавление этанола к бензину насыщает топливную смесь кислородом, поэтому она сгорает более полно. Этанол также устраняет необходимость добавления свинца. Кроме того, биотопливо является биоразлагаемым и нетоксичным, а это означает, что утечки представляют гораздо меньший риск, чем утечки ископаемого дизельного топлива.

Стоимость биотоплива

Стоимость биотоплива необходимо оценивать не только с точки зрения полученной энергии, но и с точки зрения того, сколько энергии/ресурсов требуется для производства и распределения биотоплива (6). Для производства энергетических культур требуются земля, удобрения и сельскохозяйственная техника, а для ферментации и дистилляции биотоплива нужны биомасса и вода. Воздействие производства биомассы на окружающую среду включает усиление эрозии почвы и загрязнение, связанное с увеличением использования удобрений, пестицидов и гербицидов.

Однако рассчитать энергоэффективность очень сложно, поскольку мы также должны учитывать ресурсы, сэкономленные за счет замены возобновляемых источников энергии на ископаемые виды топлива, т.е. невозобновляемые ресурсы. Расчеты энергоэффективности включают множество предположений о том, как выращиваются, собираются и перерабатываются энергетические культуры, а также о том, какие ресурсы экономятся, что делает эти расчеты спорными (6).

Кроме того, стоимость биотоплива также в конечном итоге будет зависеть от нескольких параметров, которые необходимо лучше учитывать и которые по своей природе трудно поддаются количественной оценке. Среди них: повышение надежности поставок; воздействие на изменение климата; создание рабочих мест; влияние расширяющегося биоэнергетического сектора на спрос на землю и то, как это повлияет на альтернативные виды землепользования, такие как производство продуктов питания и сохранение биоразнообразия.

Стоимость биотоплива также неразрывно связана со стоимостью ископаемого топлива и, вероятно, останется таковой в течение следующих десятилетий. Таким образом, в настоящее время основной движущей силой производства биотоплива является государственная политика. Развитие второго поколения многолетних древесных энергетических культур и повышение эффективности биоперерабатывающих заводов, вероятно, сместит экономический баланс в сторону более экономически конкурентоспособных видов применения биотоплива.

Биотехнология растений и биотопливо

Министерство сельского хозяйства США (USDA) подсчитало, что один миллиард сухих тонн биомассы в год необходим для замены 30% транспортного топлива биотопливом (7). Согласно исследованию Министерства сельского хозяйства США, такое количество биомассы может быть произведено к 2050 году с возможным технологическим прогрессом, при этом удовлетворяя спрос на продукты питания, волокна и экспорт. Биомасса в основном будет получена из растительных остатков и от выращивания многолетних энергетических культур.

Таким образом, задача биотехнологии состоит в том, чтобы существенно повысить урожайность сельскохозяйственных культур и в то же время вывести культуры с подходящим набором химических и физических свойств для производства энергии (8).

Повышение урожайности растений

Рост растений можно улучшить, увеличив эффективность захвата света во время фотосинтеза (8, 9). Наиболее успешные подходы включали введение генов фотосинтезирующих бактерий в растения без изменения уровня активности специфичных для растений генов. Поэтому традиционные методы селекции непригодны для выращивания сельскохозяйственных культур с более эффективным использованием солнечной энергии.

Также успешными оказались манипуляции с генами, участвующими в метаболизме азота, необходимого элемента белков и ДНК. Сверхэкспрессия гена синтеза глутамина (GS1) в деревьях тополя значительно увеличивает высоту дерева (10). Дальнейшие стратегии включают продление фазы роста растений за счет сокращения периода покоя семян или предотвращения или задержки цветения, поскольку растения тратят большую часть своей энергии на создание репродуктивных структур, которые можно использовать для вегетативного роста.

Повышение защиты растений от абиотического и биотического стресса

Абиотический стресс является основной причиной потери урожая во всем мире, снижая среднюю урожайность более чем на 50%. Дальнейшие потери несут из-за нападения вредителей и патогенов. Таким образом, разработка культур с повышенной устойчивостью к стрессу и оснащение растений повышенной устойчивостью к вредителям и патогенам находятся в центре многочисленных инициатив по улучшению сельскохозяйственных культур, как с помощью традиционной селекции, так и с помощью новых биотехнологических методов (11). Например, трансгенный рис со сверхэкспрессией гена хлоропластной глутаминсинтазы (GS2) проявляет повышенную устойчивость к высокой засоленности почвы. Такие инициативы окажут фундаментальное влияние на продуктивность растений.

Хлопок Bt, сорт, который был генетически сконструирован с инсектицидным геном почвенной бактерии Bacillus thurengiensis, является очень успешным примером биотехнологической культуры, разработанной с повышенной устойчивостью к вредителям. Трансген вырабатывает белок, который парализует личинок насекомых-вредителей, в том числе хлопковой совки и азиатских и европейских кукурузных мотыльков. Согласно недавнему исследованию (12), Bt-хлопок принес хлопковому сектору 8,12 млрд долларов США в странах, принявших эту технологию (8 в 2005 г.). Экономический вклад Bt-хлопка связан как с увеличением урожайности, так и со снижением производственных затрат.

Оптимизация химических и физических свойств источников биотоплива

Переход на возобновляемые источники биомассы также потребует разработки набора энергетических культур с заданными химическими и физическими характеристиками.

При производстве биоэтанола внимание должно быть переключено с растительных зерен на кукурузные соломы (высушенные листья и стебли), деревья и многолетние травы, а также недорогие сельскохозяйственные и городские отходы. Несколько подходов повысят эффективность производства энергии из источников биомассы. Поскольку биосинтез целлюлозы и лигнина регулируются совместно, уменьшение доли лигнина в растении также приведет к увеличению доли целлюлозы (13). Изменение свойств клеточной стенки также может быть стратегией облегчения доступа ключевых гидролизующих агентов для более эффективного высвобождения сахаров для ферментации. Кроме того, необходимы исследования для выявления новых потенциальных источников биомассы.

Заключительные замечания: путь к биотопливу

Биотопливо может заменить 30% текущих потребностей транспорта в энергии экологически безопасным способом, не влияя на глобальное производство продуктов питания за счет правдоподобных технологических разработок (8). Однако существующая практика не делает биотопливо экономически конкурентоспособным и не оптимизирует использование энергии и характеристики выбросов.

Для того чтобы биотопливо играло важную роль в удовлетворении будущих энергетических потребностей, требуется междисциплинарный подход, в котором интегрирована деятельность биологов, агрономов, инженеров, экспертов по энергетике и специалистов в области политики. В дополнение к выращиванию конкретных высокоурожайных энергетических культур необходимо улучшить воздействие, эффективность и устойчивость объектов биопереработки. Необходимы исследования для улучшения инфраструктуры для разработки биотоплива (включая транспорт, распределение и производственную цепочку), чтобы сделать производство биотоплива экономически устойчивым. Коммерциализация и политическая поддержка имеют решающее значение для успеха.

Социально-экономические проблемы, такие как методы управления земельными ресурсами и выбор источника биомассы, должны быть тщательно рассмотрены, чтобы производство биотоплива не оказывало негативного влияния ни на производство продуктов питания, ни на сохранение биоразнообразия.

Не менее важны исследования для получения четкого диагноза воздействия конкретных видов биотоплива на окружающую среду с точки зрения выбросов при сжигании, которые варьируются в зависимости от конкретного используемого биотоплива; энергозатраты, необходимые для производства биотоплива; и с точки зрения воздействия на окружающую среду удобрений и гербицидов, используемых при выращивании энергетических культур.

Использованная литература:

1. Передовая энергетическая инициатива. 2006. Министерство энергетики США. http://www.whitehouse.gov/stateoftheunion/2006/energy/index.html
2. Возобновляемые источники энергии 2005: Глобальный отчет о состоянии. Примечания и ссылки Сопутствующий документ. Сеть политики в области возобновляемых источников энергии для 21 века. http://www.ren21.net/globalstatusreport/RE2005_Notes_References.pdf
3. Национальная миссия по биотопливу. Институт энергетики и ресурсов Индии. http://www.teriin.org/projects/ES/jatropha.pdf
4. Стратегия ЕС по биотопливу. Европейская комиссия. 2006 г. http://ec.europa.eu/comm/agriculture/biomass/biofuel/index_en.htm
5. Киотский протокол к Рамочной конвенции ООН об изменении климата. http://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.pdf
6. Использование потенциала БИОМАССЫ. 2005. Дэвид Дж. Тененбаум. Окружающая среда. Перспектива здоровья. 2005 г., ноябрь; 113(11): А750-А753.
7. Биомасса в качестве сырья для биоэнергетики и производства биопродуктов: техническая осуществимость годового предложения в миллиард тонн. 2005. Министерство сельского хозяйства США (USDA) и Министерство энергетики США (DOE).
8. Путь вперед для биотоплива и биоматериалов. 2006. Рагаускас, А.Дж., и соавт. Наука 311: 484-489.
9. Повышение урожайности пасленовых видов за счет генетической манипуляции энергетического метаболизма. 2005. Nunes-Nesi, A. et al.. Bioch. соц.транс. 33: 1430-1434.
10. Улучшенный рост в полевых испытаниях трансгенного гибрида тополя со сверхэкспрессией глутаминсинтетазы. 2004. Jing, Z.P. et al. Новый фитолог 164: 137-145.
11. Последние достижения в разработке устойчивости растений к абиотическому стрессу: достижения и ограничения. 2005. Винокур, Б. и Альтман, А. Карр. Соч. Биотех.16:123-32.
12. ГМ-культуры: глобальные экономические и экологические последствия — первые девять лет 1996-2004 гг. 2005. Грэм Брукс и Питер Барфут. АгБиоФорум, том 8, номера 2 и 3, статья 15.
13. Комбинаторная модификация нескольких признаков лигнина в деревьях посредством мультигенной котрансформации. 2003. Ли Л. и соавт. ПНАС 100: 4939-4944.