Un mélange diversifié d'espèces améliore la stabilité et le rendement en mazout des systèmes de biocarburant à base d'algues, ainsi que leur résistance à l'invasion par des étrangers, selon les conclusions d'une étude en plein air financée par le gouvernement fédéral menée par des chercheurs de l'Université du Michigan.

Les scientifiques de l'U-M ont cultivé diverses combinaisons d'espèces d'algues d'eau douce dans 80 étangs artificiels à l'E.S. d'U-M. George Reserve près de Pinckney dans la première grande échelle, expérience contrôlée pour tester l'idée largement répandue selon laquelle la biodiversité peut améliorer les performances des systèmes de biocarburants à base d'algues sur le terrain.

Globalement, les chercheurs ont découvert que divers mélanges d'espèces d'algues, connu sous le nom de polycultures, remplissaient plus de fonctions clés à des niveaux plus élevés que n'importe quelle espèce unique - ils étaient meilleurs en multitâche. Mais étonnamment, les chercheurs ont également découvert que les polycultures ne produisaient pas plus de masse d'algues, connue sous le nom de biomasse, que l'espèce unique la plus productive, ou monoculture.

« Les résultats sont essentiels pour la conception de systèmes de biocarburants durables, car ils montrent que même si une monoculture peut être le choix optimal pour maximiser la production d'algues à court terme, les polycultures offrent une récolte plus stable sur de plus longues périodes de temps, " a déclaré Casey Godwin, auteur principal de l'étude, chercheur postdoctoral à la School for Environment and Sustainability de l'U-M.

Les résultats de l'équipe devraient être publiés le 18 juin dans la revue Biologie du changement global-Bioénergie .

Le pétrole biobrut dérivé d'algues est à l'étude en tant qu'alternative potentielle d'énergie renouvelable aux combustibles fossiles. Parce qu'ils poussent rapidement et peuvent être convertis en bio-huile, les algues ont le potentiel de générer plus de carburant à partir de moins de surface que les cultures comme le maïs. Mais les défis techniques liés à la culture de grandes quantités de ces plantes aquatiques microscopiques dans de grands étangs de culture en plein air ont ralenti les progrès vers la culture à l'échelle commerciale.

A l'extérieur, loin des conditions contrôlées du laboratoire, un système de culture d'algues biocarburant doit maintenir stable, croissance stable d'algues prêtes pour le carburant face aux conditions météorologiques fluctuantes, la menace d'effondrements de population causés par les maladies et les ravageurs, et l'invasion d'espèces d'algues nuisibles.

Des décennies de recherche écologique ont démontré que les communautés végétales et animales contenant un riche mélange d'espèces sont, en moyenne, plus productives que les communautés moins diversifiées, plus stable face aux fluctuations environnementales, et plus résistant aux ravageurs et aux maladies.

Mais l'idée que les polycultures d'algues peuvent surpasser les monocultures n'avait jamais été rigoureusement testée dans des conditions de terrain à grande échelle. Avec le financement de la National Science Foundation et de l'U-M Energy Institute, L'écologiste U-M Bradley Cardinale et ses collègues ont entrepris de tester cette hypothèse, à l'aide d'une étude en deux parties.

La première phase consistait à cultiver diverses combinaisons de six espèces d'algues lacustres nord-américaines dans 180 réservoirs ressemblant à des aquariums au sous-sol du bâtiment Dana sur le campus Ann Arbor de l'UM. Les six espèces sont couramment utilisées dans les systèmes de biocarburants.

La deuxième phase consistait à tester sur le terrain les quatre espèces d'algues et mélanges d'espèces les plus prometteurs en les cultivant à l'extérieur dans des réservoirs à bétail de 290 gallons au 1, Réserve U-M de 300 acres. Ce travail a été réalisé à l'été 2016 et a conduit à la prochaine Biologie du changement global-Bioénergie papier.

Dans les deux phases de l'étude, des collègues de l'U-M College of Engineering ont utilisé une technique appelée liquéfaction hydrothermale pour convertir les algues en huiles combustibles, ou biobrut, qui peuvent être raffinés pour fabriquer des carburants de transport comme le biodiesel.

"Nous avons d'abord évalué différentes combinaisons d'algues en laboratoire, et puis nous avons fait sortir les meilleurs dans la nature, où ils ont été exposés à des conditions météorologiques fluctuantes, nuisibles, la maladie et tous les autres facteurs qui ont tourmenté les efforts de recherche sur les carburants à base d'algues pendant 40 ans, " a déclaré Godwin.

Dans leur analyse des échantillons d'algues collectés pendant les 10 semaines d'E.S. Étude de George Reserve, les chercheurs ont comparé la capacité des monocultures et des polycultures à faire plusieurs tâches à la fois :faire pousser beaucoup de biomasse algale, produire un biobrut de haute qualité, rester stable dans le temps, pour résister aux effondrements de population et pour repousser les invasions d'espèces d'algues indésirables.

Leur analyse a montré que l'utilisation de polycultures retardait considérablement l'invasion par des espèces d'algues indésirables; que les rendements de biobrut étaient significativement plus élevés dans les polycultures à deux et quatre espèces que dans les monocultures; et que diverses cultures d'algues étaient plus stables dans le temps.

Et tandis que les monocultures avaient tendance à être bonnes pour un ou deux emplois à la fois, les polycultures ont effectué plus de travaux à des niveaux plus élevés que n'importe laquelle des monocultures, un trait appelé multifonctionnalité.

Mais en même temps, les polycultures ont produit moins de biomasse que la monoculture la plus performante. Et l'utilisation de polycultures n'a eu aucun effet significatif sur l'ampleur et le moment de la soudaine, de fortes baisses de la production d'algues connues sous le nom d'effondrements de population.

"Nos résultats suggèrent qu'il existe un compromis fondamental lors de la culture de biocarburant à base d'algues, " dit Cardinale, professeur à la U-M School for Environment and Sustainability.

« Vous pouvez cultiver des cultures monospécifiques qui produisent de grandes quantités de biomasse mais sont instables et produisent moins de biobrut. Ou, si vous êtes prêt à renoncer à un certain rendement, vous pouvez utiliser des mélanges d'espèces pour produire un système de biocarburant plus stable dans le temps, plus résistant aux espèces nuisibles, et qui produit plus de biobrut."

Les auteurs du Biologie du changement global papier, en plus de Godwin et Cardinale, sont Aubrey Lashaway et David Hietala de U-M, et Phillip Savage de l'Université d'État de Pennsylvanie.

Les membres de la même équipe de recherche ont publié d'autres articles récents qui examinent les avantages de la diversité dans les systèmes de biocarburants à base d'algues pour minimiser l'utilisation d'engrais, recyclage des déchets, et l'amélioration des propriétés chimiques du biobrut.

"Collectif, ces résultats montrent comment l'application des principes de l'écologie pourrait aider à la conception de systèmes de carburants renouvelables de nouvelle génération, " a déclaré Godwin.