Biomasa z mikrořas jako potenciální zdroj biopaliv
Mikrořasy jsou jednobuněčné organismy, jejichž fotosyntetický aparát je podobný vyšším rostlinám. Díky jednoduché buněčné struktuře a růstu ve vodním prostředí, kde mají optimální přístup k vodě, CO2 a výživě, jsou v homogenních, dobře míchaných masových akvakulturách obecně daleko efektivnější při přeměně sluneční energie na biomasu než vyšší rostliny. Mají také výhodu velmi rychlých reprodukčních cyklů, větší toleranci k vysoké ozářenosti a vyšší účinnost přeměny energie na biomasu díky malým nárokům na vedlejší metabolické funkce.
Výzkum v oblasti řasových biotechnologií byl v Laboratoři řasových biotechnologií Mikrobiologického ústavu AV ČR v Třeboni zahájen kolem r. 1960 postavením první venkovní kaskádové kultivační jednotky pro produkci zelených mikrořas (rody Scenedesmus, Chlorella). Mikrořasová biomasa se využívá především jako nutriční doplněk pro potraviny a krmiva, kde je zdrojem proteinů, lipidů, vitaminů, minerálů a důležitých bioaktivních látek (antioxidantů, nenasycených mastných kyselin, potenciální zdroje léčiv). V současnosti se kultury mikrořas využívají např. jako doplněk lidské zdravé výživy, v akvakulturách vodních živočichů (ryby, korýši, měkkýši), případně pro zlepšení vlastností půdy či při bioremediacích. V souvislosti s ubýváním zdrojů fosilních paliv a vzrůstem spotřeby a tím i ceny energie nabývá na aktuálnosti otázka alternativních, především obnovitelných zdrojů energie. Rostlinná biomasa je jedním ze zdrojů, jejichž využití se v posledních letech velmi rozšiřuje. Mikrořasy představují vhodné producenty biomasy, protože některé akvatické kmeny mají ve srovnání s rostlinami o řád vyšší účinnost přeměny solární energie a fixace CO2 na biomasu.
V posledních deseti letech je problematika biopaliv (bioplyn, biodiesel, biolíh, biometan) z mikrořas široce studována na řadě výzkumných pracovišť, protože celosvětová snaha směřuje ke snížení spotřeby fosilních paliv. Hlavním problémem jsou dosud vysoké produkční náklady biomasy, které způsobuje především nízká produktivita, nedostatečná technická vyspělost kultivačních zařízení, vysoké provozní náklady (energie na provoz – elektřina, teplo) a cena vstupních surovin (voda, CO2 jako zdroj uhlíku, živiny – fosfáty, dusičnany, železnaté soli a další). Snížení nákladů na produkci biomasy v masových kulturách je možné dosáhnout u rychle rostoucích kmenů mikrořas využitím „odpadní“ energie některých průmyslových zařízení (elektrárny, spalovny), které mohou být též zdrojem „levného“ odpadního CO2, případně i nutrietů.
Druhým přístupem je vývoj uzavřených kultivačních systémů – mikrořasových fotobioreaktorů směřujících k vysoce produkčním systémům. Ve srovnání s „energetickými“ plodinami (např. řepka, čirok) jsou velkoobjemové kultury mikrořas výhledově schopné vysoké produkce biomasy na jednotku plochy. U polních plodin i akvatických mikrořas se v současnosti dosahuje výtěžků 1–2 g biomasy na m2 za hodinu. Předpokládá se však, že ve výkonných produkčních systémech mikrořas bude možné dosáhnout výtěžků až o řád vyšších – kolem 100 g biomasy na m2 za hodinu. Toho lze docílit v účelně navržených kultivačních systémech za použití pulzního režimu světla (vysoce účinné fotovoltaické články napájející světelné diody) v oblasti obratu fotosyntetického aparátu (v řádu mikrosekund), využitím transgenních kmenů s malou světlosběrnou anténou, která zvýší účinnost přeměny energie na biomasu při pěstování husté kultury v tenké „optické“ vrstvě suspenze.
V oblasti kapalných biopaliv lze uvažovat o využití kmenů mikrořas s vysokým obsahem lipidů pro produkci biooleje pyrolýzou nebo termochemickým zkapalňováním, nebo je možné zpracovat biomasu mikrořas na bioplyn fermentací v bioplynových stanicích spolu s rostlinnou biomasou, komunálními a zemědělskými odpady.
Doc. RNDr. Jiří Masojídek, CSc., Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i., Třeboň
Tisková zpráva AV ČR
10.3.2009
Akademie věd ČR spolupracuje na evropském projektu PATHOMILK – biosenzorickém systému umožňujícím rychlou detekci patogenních bakterií v mléce
Cílem projektu PATHOMILK financovaného Evropskou komisí je vyvinout biosenzorický systém umožňující rychlou detekci patogenních bakterií v mléce. Při příležitosti setkání konsorcia projektu PATHOMILK v Praze v úterý 10. března 2009, se uskutečnila ve 14.00 v hotelu Pyramida tisková konference, která představila projekt PATHOMILK veřejnosti.
Na projektu spolupracuje 22 partnerů – výzkumných institucí, podniků a asociací ze Španělska, Itálie, Portugalska, Velké Británie, Kypru, Maďarska, Slovenska a České republiky. Českou republiku v konsorciu PATHOMILK zastupují Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, v.v. i. (ÚFE AV ČR) a firma MILCOM a.s.
Detekční technologie vyvíjená v rámci projektu PATHOMILK kombinuje nový optický biosenzor založený na rezonanci povrchových plazmonů (vyvinutý v Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR) s vybranými sekvencemi DNA pro přímou detekci úseků nukleových kyselin identifikujících vybrané patogenní bakterie.
Projekt PATHOMILK je zaměřen především na detekci bakteriálních původců infekčních onemocnění mléčného skotu (např. mastitidy) s cílem rychle a efektivně umožnit diagnostikovat choroby skotu, a zamezit tak ztrátám v produkci mléka a přispět ke zvyšování kvality a bezpečnosti potravinářských výrobků.
Vyvíjenou detekční technologii je možné rozšířit na detekci celé řady dalších patogenů a potenciálně ji využít v oblastech, jako jsou kontrola potravin, biotechnologie, zemědělství, zdravotnictví a ochrana před biologickým terorismem.
Tisková zpráva AV ČR
5.3.2009
Objev vědců z Ústavu experimentální botaniky AV ČR pomůže lépe pochopit klíčové děje při rozmnožování rostlin.
Vědci z Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR, v. v. i., a dalších českých institucí popsali složení speciálních částic, které jsou důležité pro rychlý růst pylových láček. Láčky vyrůstají z pylových zrn po opylení květu a zprostředkují oplodnění vajíčka. Výzkum ukázal, že studované částice hrají mnohem významnější roli, než se biologové dosud domnívali: zřejmě zajišťují tvorbu i další úpravy bílkovin a jejich přesné umístění uvnitř láčky. Molekulární útvary se srovnatelnými funkcemi byly zatím nalezeny pouze v nervových buňkách živočichů. Objev pomůže lépe pochopit klíčové děje při rozmnožování rostlin.
Kvetoucí rostliny nemají pohyblivé pohlavní buňky, jako jsou spermie živočichů. Jejich oplození probíhá jinak: na bliznu květu dopadne pylové zrno a z něj vyroste vláknitý útvar zvaný láčka. Ta proroste k vajíčku a dopraví do něj samčí pohlavní buňky. Každý květ je opylen mnoha pylovými zrny. Jen pohlavní buňky v nejrychleji se prodlužujících láčkách mají šanci oplodnit vajíčka. Pylová zrna se proto na svůj „dostih“ připravují v předstihu a některé potřebné látky vyrábějí do zásoby.
Důležité stavební kameny pro růst láček představují bílkoviny. Instrukce pro sestavení konkrétní bílkoviny jsou uloženy v příslušném genu, což je úsek DNA v buněčném jádře. Informace z DNA je „kopírována“ do molekuly zvané mRNA, která má funkci jakéhosi poslíčka: putuje ven z jádra a na útvarech nazývaných ribozomy se pak podle ní vytvářejí molekuly dané bílkoviny.
dlouho je známo, že během zrání pylových zrn se hromadí některé druhy mRNA, které se shlukují s dalšími biologickými molekulami do speciálních částic. Ty jsou v buňce uskladněny a k produkci bílkovin použity teprve po dopadu pylu na bliznu. Předem připravená zásoba meziproduktu (mRNA) výrazně urychluje tvorbu bílkovin, a tím i růst pylové láčky. Asi jako když chcete ušetřit čas a večeři uvaříte z polotovarů místo z čerstvých surovin.
Částice obsahující takto skladovanou mRNA byly nalezeny rovněž v dalších typech rostlinných i živočišných buněk. Jejich přesné složení a funkce v pylu však zatím nebyly známy. Až nyní je objasnili badatelé z Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR, v. v. i. (ÚEB), za přispění kolegů zejména z Univerzity Karlovy v Praze.
Vědci nejprve izolovali částice z pylu a láček tabáku. Pak moderními postupy molekulární biologie a chemické analýzy identifikovali jejich složky. Nalezli stavební komponenty ribozomů, různé molekuly mRNA a celkově přes sto druhů bílkovin. Biochemické funkce objevených bílkovin pomohly určit, jaké jsou role částic v buňkách. „Původně se předpokládalo, že slouží výhradně ke skladování mRNA, případně k její dopravě, třeba do špičky rostoucí láčky. My jsme však zjistili, že přímo v nich se patrně také vytvářejí a dále upravují molekuly bílkovin – a to v přesně určených časech a místech uvnitř buňky,“ shrnuje jeden z hlavních autorů, David Honys z ÚEB.
Studované částice tedy nejsou molekulární analogií pouhého nákladního auta převážejícího stavební materiál. Lze je spíše přirovnat k firmě dodávající stavby na klíč, která si přiveze materiál i řemeslníky a všechny práce provede na stanoveném místě v dohodnutém termínu. Částice obsahující mRNA a fungující na tomto principu byly zatím objeveny pouze v živočišných nervových buňkách. U rostlin je čeští vědci popsali jako první na světě. Výsledky byly publikovány online v časopise Journal of Proteome Research.
Opylení je podmínkou pro vznik semen, a tedy rozmnožování semenných rostlin. Přesná znalost procesů spojených s růstem pylové láčky může proto v budoucnu vést k praktickým aplikacím, jež pomohou zemědělcům nebo pěstitelům okrasných rostlin. Lze spekulovat i o dalších eventualitách. „Objevili jsme vlastně jakousi specializovanou továrničku na bílkoviny. Až o ní zjistíme více informací, dala by se možná využít k cílené produkci některých bílkovin, zajímavých například pro medicínu. Uvidíme, co přinese další výzkum,“ říká doktor Honys.
