在第一次大規(guī)模的對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，密歇根大學(xué)的科學(xué)家們?cè)谖挥赑inckney附近的密歇根大學(xué)ES喬治保護(hù)區(qū)的80個(gè)人工池塘中種植了淡水藻類的各種組合，以測(cè)試生物多樣性可以提高藻類生物燃料系統(tǒng)在該領(lǐng)域的性能的廣泛認(rèn)識(shí)。

總體而言，研究人員發(fā)現(xiàn)，藻類物種的多種混合物(稱為多種文化)在更高水平上比任何單一物種發(fā)揮更多關(guān)鍵功能 – 它們?cè)诙嗳蝿?wù)處理方面表現(xiàn)更好。但令人驚訝的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，與最具生產(chǎn)力的單一物種或單一栽培相比，多種文化不會(huì)產(chǎn)生更多的藻類，稱為生物質(zhì)。

“結(jié)果是可持續(xù)生物燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈儽砻麟m然單一栽培可能是最大化短期藻類生產(chǎn)的最佳選擇，但多種文化可以在更長的時(shí)間內(nèi)提供更穩(wěn)定的作物，”該研究的主要作者Casey說。戈德溫，密歇根大學(xué)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)院的博士后研究員。

該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果計(jì)劃于6月18日在Global Change Biology-Bioenergy期刊上發(fā)表。

正在研究藻類衍生的生物原油作為化石燃料的潛在可再生能源替代品。因?yàn)樗鼈兩L迅速并且可以轉(zhuǎn)化為生物油，所以藻類有可能從比玉米等作物更少的表面積產(chǎn)生更多的燃料。但是，在大型室外養(yǎng)殖池塘中種植大量這些微觀水生植物所涉及的技術(shù)挑戰(zhàn)已經(jīng)減緩了商業(yè)規(guī)模種植的進(jìn)程。

在外 – 遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室的受控條件 – 藻類生物燃料培養(yǎng)系統(tǒng)必須在波動(dòng)的天氣條件下，燃料就緒藻類保持穩(wěn)定，穩(wěn)定的生長，由疾病和害蟲引起的人口崩潰的威脅和入侵受到藻類的滋擾。

幾十年的生態(tài)研究表明，含有豐富物種的植物和動(dòng)物群落平均比不太多樣化的群落更具生產(chǎn)力，面對(duì)環(huán)境波動(dòng)更穩(wěn)定，對(duì)病蟲害更具抵抗力。

但藻類多種文化能夠勝過單一栽培的觀點(diǎn)從未在大規(guī)模的田間條件下進(jìn)行過嚴(yán)格的測(cè)試。在美國國家科學(xué)基金會(huì)和密歇根大學(xué)能源研究所的資助下，UM生態(tài)學(xué)家Bradley Cardinale及其同事開始使用兩部分研究來測(cè)試這一假設(shè)。

第一階段涉及在UM安娜堡校區(qū)Dana大樓地下室的180個(gè)水族箱式水池中種植六種北美湖藻類的各種組合。所有六種物種通常用于生物燃料系統(tǒng)。

第二階段涉及對(duì)四種最有希望的藻類物種和物種混合物進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，將它們放在室外的1,300英畝UM儲(chǔ)備中的290加侖牛罐中。這項(xiàng)工作于2016年夏季完成，并導(dǎo)致即將發(fā)布的全球變化生物學(xué) – 生物能源論文。

在該研究的兩個(gè)階段，密歇根大學(xué)工程學(xué)院的同事們采用了一種稱為水熱液化的技術(shù)，將藻類轉(zhuǎn)化為可燃油或生物油，可以對(duì)其進(jìn)行精制，制成生物柴油等運(yùn)輸燃料。

“首先，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中評(píng)估了藻類的不同組合，然后我們將最好的藻類帶到大自然中，在那里它們暴露于波動(dòng)的天氣條件，害蟲，疾病以及困擾藻類燃料研究工作的所有其他因素。 40年，“戈德溫說。

在對(duì)10周ES George Reserve研究中收集的藻類樣本進(jìn)行分析時(shí)，研究人員比較了單一栽培和多種養(yǎng)殖一次完成多項(xiàng)工作的能力：種植大量藻類生物質(zhì)，產(chǎn)生高質(zhì)量的生物原油，保持穩(wěn)定通過時(shí)間，抵制人口崩潰和抵御不受歡迎的藻類入侵。

他們的分析表明，多種文化的使用顯著延遲了不需要的藻類的入侵; 兩種和四種多文化中的生物原油產(chǎn)量顯著高于單一栽培; 隨著時(shí)間的推移，不同種類的藻類更穩(wěn)定。

雖然單一文化往往擅長一兩個(gè)工作崗位，但多元文化比任何一種單一文化都更多地完成了更多的工作，這種特性稱為多功能性。

但與此同時(shí)，多種文化產(chǎn)生的生物量低于表現(xiàn)最佳的單一栽培。多種文化的使用對(duì)藻類生產(chǎn)突然急劇下降的程度和時(shí)間沒有顯著影響，稱為人口崩潰。

“我們的研究結(jié)果表明，在種植藻類生物燃料時(shí)存在一個(gè)基本的權(quán)衡，”密歇根大學(xué)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)院教授卡迪納勒說。

“你可以種植能夠產(chǎn)生大量生物質(zhì)但不穩(wěn)定并產(chǎn)生較少生物原油的單種作物。或者，如果你愿意放棄一些產(chǎn)量，你可以使用物種的混合物來生產(chǎn)更穩(wěn)定的生物燃料系統(tǒng)。時(shí)間，對(duì)害蟲種類的抵抗力更強(qiáng)，產(chǎn)生更多的生物原油?！?/span>

除Godwin和Cardinale之外，全球變化生物學(xué)論文的作者是UM的Aubrey Lashaway和David Hietala，以及賓夕法尼亞州立大學(xué)的Phillip Savage。

同一研究小組的成員發(fā)表了其他近期的論文，這些論文研究了藻類生物燃料系統(tǒng)多樣性的好處，以最大限度地減少肥料使用，回收廢物和改善生物原油的化學(xué)性質(zhì)。

“總的來說，這些結(jié)果表明，應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理如何有助于設(shè)計(jì)下一代可再生燃料系統(tǒng)，”戈德溫說。