- Те са ключът към хиперактуалните суперхрани, протеини, биогорива, биокозметика, биореактори и тераформиране на Марс
- Специалистите от Химикотехнологичния и металургичен университет търсят партньорство с бизнеса, за да ускорят научните пробиви и да ги превърнат в решения не само за индустрията, но и за околна среда и обществото
Изследователи от Химикотехнологичния и металургичен университет се включват в световната надпревара в една от най-перспективните към момента научни области – изследването на едноклетъчните водорасли. Темата е сред най-актуалните в биотехнологиите, биоенергията и екологията, поради което привлича вниманието на редица водещи университети по света.
В Харвард от години изследват възможностите за отглеждане на микроводорасли в Космоса, в Университета в Аризона опитват да създадат биогорива и биопродукти, в Минното училище в Колорадо проучват енергийните и екологичните приложения на микроводораслите. В Университета „Корнел" фокусът е върху изграждането на енергийни системи на тази база, в университета на Айова проучват генетиката на водораслите с цел приложения в храненето и биоинженерството.
В Университета на Джорджия търсят чрез микроводораслите устойчиви решения за икономиката и развитието, включително в областта на инженерството. Подобно на тях в британския „Суонзи" ги култивират за различни приложения в сферата на кръговата икономика. В немския Билефелд (CeBiTec) опитват да конструират биофабрики за горива и откриват, че микроводораслите произвеждат и редица ценни съединения, особено полезни за фармацията.
„За нас също микроводораслите са обект на сериозен изследователски интерес, доколкото те са сред основните фактори създали съвремнните условия на живот на Земята", каза пред „Космос" доц. Иво Лалов от катедра „Биотехнология" към Химикотехнологичния и металургичен университет. Едноклетъчните водорасли са микроскопични – размерите им варират в широки граници и понякога достигат до няколкостотин микрометра. Най-често големината им е е от 5 до 50 микрона, което означава, че в ширината на една песъчинка могат да се подредят десетки или дори стотици от едно до друго. Но именно заради тази миниатюрност, за да се извлече значимо количество от ценните вещества, които съдържат, трябва да се „прецедят" огромни обеми вода.
„Самите процеси не са неизвестни, но при настоящите подходи са скъпи – просто трябва да обработим прекалено много вода, за да съберем достатъчно материал", усмихва се доц. Лалoв.
Нашите учени също като колегите си в чужбина са фокусирани в тази вълнуваща сфера, защото тя ще открие необятни хоризонти за работа пред българския бизнес с неизброими ползи в различни отрасли.
„Водораслите имат изключително широки приложения – отбелязва инж. Станислав Димитров, докторант в катедра „Биотехнология" в Химикотехнологичния и металургичен университет. – Те са ценен ресурс, защото осигуряват между пет и седем пъти по-висок добив от стандартните земеделски култури, като соята, когато сравняваме добива от единица площ. От тях могат да се произвеждат биодизел, храни и протеини, а в САЩ и Нова Зеландия вече се използват и за извличане на омега-3 мастни киселини."
Според учените, именно гъвкавият метаболизъм на микроводораслите стои в основата на тяхната изключителна ефективност и разнообразни приложения.
„С тях може да се постигне невероятно разнообразие от продукция – посочва доц. Лалов. – За разлика от традиционните култури, микроводораслите не зависят от валежите и не изискват постоянно напояване. Те се отглеждат във водна среда, която може да се използва многократно, така че разходът на вода е минимален – а това е изключително важно в условията на глобално затопляне."
Според него бизнесът по света отдавна с микроводораслите създава лесноусвоими хранителни добавки, растителни масла, обогатени с омега 3, пластмаси и др. Но тези почти невидими клетки във водата имат още една невероятна полза за човечеството.
„Микроводораслите усвояват въглероден диоксид и светлина, превръщайки ги в биомаса – така едновременно растат и пречистват въздуха – обяснява инж. Станислав Димитров – Голямото предизвикателство днес е да направим този процес устойчив и икономически приложим в промишлен мащаб. В цял свят се работи по това, а ако науката и бизнесът вървят ръка за ръка, успехът е напълно реален."
Според изследователите у нас има сериозен потенциал в развитието на тази област. В миналото вече са изграждани ферми за спирулина, натрупан е опит с използването ѝ за пречистване на отпадни води и влагане в храни.
„В случая говорим за своеобразна биорафинерия, в която микроводораслите трябва да се отглеждат във висока концентрация и с минимален разход на енергия, като се оползотворява всеки техен елемент – за биодизел, фармация, козметика, храни и други продукти. Потенциалът им е огромен", обяснява инж. Станислав Димитров.
Ключовото предизвикателство е свързано с мащаба. Тези организми са почти невидими с просто око и се развиват в огромни количества вода, която трябва да бъде обработена, за да се получи значимо количество биомаса. Самото изсушаване също изисква енергия, поради което в различни лаборатории по света се търсят по-ефективни решения – включително чрез соларни сушилни и системи за повторно използване на водата.
Допълнително пред учените стои задачата да елиминират токсичните вещества, които някои видове микроводорасли могат да натрупват. Едва след това идва ред на извличането на ценните съставки – биохимикали, биогорива и протеини.
На този етап най-перспективни са в синтеза на храни и като част от хранителната верига – например за отглеждане на скариди и други аквакултури. Те могат да подпомагат цели екосистеми, като осигуряват стабилност и висока продуктивност.
Заедно с това микроводораслите все по-често се разглеждат като един от стълбовете на бъдещата биоенергетика.
„За Европейския съюз това е възможен път към енергийна независимост, без допълнително натоварване на околната среда – коментира още инж. Станислав Димитров – Истинският пробив в тази сфера ще определи следващите лидери. Именно затова ние се стремим да развиваме биоенергетиката на базата на водорасли и влагаме усилията си в тази посока."
Българският екип работи за създаването не само на биометан и биодизел, но и на биоетанол с почти нулев въглероден отпечатък.
„Заедно с други колеги търсим още приложения в областта на фармацията, козметиката и биорафинериите, с цел постепенно заместване на изкопаемите горива с биомаса", допълва доц. Иво Лалов.
Любопитна перспектива се открива и извън пределите на Земята.
Втората мисия „Артемис" е планирана за 2026 г., а SpaceX подготвя първия човешки полет към Марс. „В тези проекти микроводораслите могат да намерят място не само в тераформирането, но и в биорегенеративните животоподдържащи системи – обяснява доц. Иво Лалов – На Международната космическа станция вече се провеждат експерименти, които целят да интегрират подобни процеси в поддържането на изкуствени биосфери."
Българските учени също работят по подобни идеи, използвайки 3D принтиране за моделиране на миниатюрни биосистеми, способни да издържат в условията на Космоса или атмосферата на други планети.
Доц. Лалов и инж. Станислав Димитров с интерес следят работата на колегите си от Харвард, които експериментират с изграждането на биореактори от полимлечна киселина.
„Тези конструкции са способни да издържат значителната разлика в налягането между марсианската атмосфера и условията, необходими за поддържането на водата в течно състояние – обяснява доц. Лалов. – А именно такава среда е нужна за отглеждането на водорасли, които могат да осигурят хранителни вещества и кислород."
Българските учени също разработват собствени прототипи на реактори, като целта им е материалите да се добиват на място – на самата Червена планета. Те вече са постигнали резултати, съпоставими с тези на колегите си от Харвард. Докато там използват смола за придаване на допълнителна здравина на стените на фотобиореакторите, нашият екип се стреми да създаде възпроизводими материали с устойчиви свойства.
„Катедрата по биотехнология при нас има добри резултати в тази посока – уточнява доц. Лалов. – Полимлечната киселина може да се получи по различни пътища: чрез ферментация на биомаса от водорасли до млечна киселина, която по каталитичен път при 150–200 градуса се превръща в полимлечна киселина или чрез ензимна синтеза. Изследваме различни варианти, включително култивиране на някои видове микроорганизми, които могат естествено да я произвеждат."
Засега именно полимлечната киселина отговаря на високите им изисквания, затова тя е избрана като основен материал за изграждането на биореакторите.
„Ако ги купуваме готови, цената ще достигне десетки хиляди евро, докато нашият подход е в пъти по-икономичен", усмихват се Лалов и Димитров.
Причината българските учени да се включат в тази световна надпревара е очевидна – микроводораслите могат да бъдат основен източник на живот в извънземна среда. От тях могат да се създават храни, пластмаси, биогорива (метан, етанол, биодизел и др.), както и конструктивни елементи – всичко необходимо за поддържане на човешки мисии на Марс.
„Има данни, че когато микроводораслите се комбинират с марсиански реголит и синтетична урина, се получават добри условия за развитие на синьо-зелени водорасли (цианобактерии) – посочва още доц. Лалов. – Те са фотосинтезиращи и богати на протеини. В една научна публикация се изчислява, че за екипаж от шестима души са достатъчни 15-кубикови биореактори, за да осигурят белтъчната им храна ако цианобактериите се отглеждат в условията на микрогравитация."
Европейската космическа агенция също експериментира в тази посока, заедно с екип от Валенсия. Те работят с водорасли, извлечени от лишеи – организми, които комбинират гъбичка и фотосинтезиращ партньор. В публикация се съобщава, че тези видове издържат на екстремни условия – температури до минус 80°C, UV лъчение, изсушаване и резки осмотични промени.
„Многобройни научни изследвания непрекъснато предлагат доказателства, че благодарение на изключителната си метаболитна гъвкавост, микроводораслите са сред най-обещаващите биологични "партньори" способни едновременно да подпомогнат развитието на бъдещата устойчива енергетика и да направят възможни дългосрочни космически мисии, които в бъдеще биха превърнали човечеството в транспланетарен космически вид.", заключава доц. Лалов.
Днес учените от Химикотехнологичния и металургичен университет търсят партньорство с бизнеса, за да ускорят научните пробиви и да ги превърнат в решения от полза не само за индустрията, но и за околната среда и обществото.
