| 12. |
Приоритет Стратегии НТР России |
Переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, разработку и внедрение систем рационального применения средств химической и биологической защиты сельскохозяйственных растений и животных, хранение и эффективную переработку сельскохозяйственной продукции, создание безопасных и качественных, в том числе функциональных, продуктов питания |
| 16. |
Аннотация |
Связывание газообразного диоксида углерода с помощью природоподобных технологий и, в частности, аквакультуры, имеет огромное значение для достижения нетто-нулевой эмиссии данного парникового в борьбе с отрицательными последствиями планетарного изменения климата. Диатомовые микроорганизмы особенно привлекательны для развития таких технологий, так как:
- относятся к одним из основных фотосинтезаторов в мировом океане и обеспечивают производство до 20 % кислорода на планете Земля и связывают до 40 % СО2 в мировом океане;
- исключительно разнообразны, а ряд видов особо эффективно связывают СО2 в холодных водах при минимальной освещенности (условия на большей части территории и Арктической зоны РФ);
- могут успешно воспроизводиться в биореакторах по масштабируемым технологиям аквакультуры;
- помимо функции связывания СО2 служат источником ценных возобновляемых ресурсов – сложных биоорганических соединений (липидов, омега-3 кислот, пигментов и др.), которые перспективно использовать в качестве пищевых добавок для животных и человека;
- экзоскелет диатомовых водорослей представляет собой высокопористый наноструктурированный кремнезём, оптические и механические свойства которых могут быть использованы для разнообразных технических применений, включая создание новых композитных материалов с заданными оптическими и механическими свойствами, а также использование биомиметического подхода для создания высокочувствительных оптических и акустических датчиков на основе планарных технологий.
Предлагаемый междисциплинарный проект направлен на разработку научных основ и технологического обеспечения масштабируемых природоподобных технологий связывания СО2 с помощью диатомовых водорослей и их синергетического использования для получения ценного возобновляемого сырья для ряда технических применений - функциональных наноструктурированных материалов и изделий из них. Следовательно, необходимо провести фундаментальные исследования научно-методических основ аквакультуры для получения биоминерализованных наноструктурированных объектов, а также разработать материаловедческие подходы к созданию из таких объектов готовых элементов для тонкой фильтрации, управляемой адсорбции и катализа, а также элементов оптических и акустических сенсоров.
Так как основной целью данного проекта является разработка технологии переработки диоксида углерода с помощью диатомовых водорослей и их использования для получения сырья для ряда промышленных применений, необходимо глубоко изучить особенности поглощения CO2, а также связь с кинетикой роста диатомовых колоний. Для решения задач проекта заявители используют существующие и разрабатывают новые методики культивации монокультур пресноводных пеннатных и морских центрических диатомей в специально созданной установке, для чего осуществляют контроль состояния отдельных микроорганизмов в контрольных пробах с помощью спектрофотометрии, оптической и электронной микроскопии, а также контроль состояния целых колоний с помощью оптоакустической и флуоресцентной визуализации, благодаря наличию большого количества хромофоров внутри диатомовых клеток. В рамках проекта будут проведены эксперименты по степени усвоения СО2 культивируемыми диатомовыми водорослями и подобраны оптимальные концентрации углекислого газа для получения большого количества биомассы и, соответственно, множества ценных соединений. Кроме того, в процессе очистки органических компонентов будут получены кремнеземные панцири, которые можно использовать в различных применениях, в т. ч. в качестве наполнителей фильтрующих устройств, композитов и т. д.
Актуальность проекта связана с необходимостью наличия технологий обеспечивающих эффективную экстракцию диоксида углерода, например с помощью устройств обеспечивающих оптимальные условия для роста диатомовых водорослей, создание которых требует наличия методов эффективного мониторинга роста водорослей, а также контроля управления параметрами влияющих на их рост.
Научная новизна проекта определяется прежде всего совокупностью оптических методов, которые предполагается использовать для мониторинга роста водорослей, в частности оптоакустика, флуоресценция фотометрия. Оптоакустический метод является чрезвычайно перспективным для мониторинга водорослей в водоемах. Кроме того в проекте предполагается задействовать специалистов в области изучения оптических и механических свойств наноструктурированных материалов, поскольку панцири диатомовых водорослей представляют собой наноструктурированные и высокопористые микрообъекты из диоксида кремния. Полученные данные о механических и оптических свойствах таких объектов дадут возможность найти новые применения таким системам, в частности для создания новых материалов и устройств. Инструменты мониторинга роста водорослей в совокупности с варьированием параметров влияющих на рост и интенсивность экстракции СО2 (температура, освещение и т.д.) для получения максимальной биомассы обеспечивают высокую научную и практическую значимость планируемых исследований. |