Mahdollisimman tehokkaaseen bioenergiaan

Pian akatemiaprofessorina aloittava Turun yliopiston kasvibiologian professori Eva-Mari Aro kehittää fotosynteesin avulla syanobakteerista eli kansanomaisesti sinilevästä mahdollisimman tehokasta energiatehdasta. Tavoitteena on saada aikaan energianlähde, jossa sidotusta auringon energiasta menee hukkaan mahdollisimman vähän.

Nykyisin yhteyttävän organismin sitomasta auringon energiasta on bioenergiassa jäljellä useimmiten korkeintaan yksi prosentti. Aron mielestä hukkaan menee aivan liian paljon. Hänestä syanobakteeri on tehokkuudeltaan parhaimpia auringon energian sitojia erittäin pienen hukkaprosenttinsa takia. Syanobakteeri on myös helpompi kuin moni kasvi valjastaa energiantuottoon bioreaktoreissa.

”Jo nyt bakteereja käytetään suuressa mittakaavassa teollisessa biotekniikassa. Niille annetaan ravinnoksi kasvien tuottamaa sokeria. Eli ne käyttävät kasvien yhteyttämisen lopputuotteita energianlähteenään ja muuttavat niitä halutuksi tuotteeksi”, selostaa Aro ja muistuttaa, että bakteerien käyttö on sadan viimeisen vuoden aikana kehittynyt valtavasti.

Syanobakteerit ovat energiatehokkaita, koska niille ei tarvitse antaa jo sidottua auringonenergiaa sokerin muodossa vaan ne käyttävät suoraan auringonvaloa, jonka ne muuttavat kemialliseksi energiaksi. Syanobakteerit voivat muuttaa auringon valoenergiaa vedyksi, joka on puhdasta energiaa ja palaessaan tuottaa vain vettä. Fotosynteesitutkijat pyrkivät siihen, että auringon energian talteenotossa olisi mahdollisimman vähän väliasteita. Aro uskoo, että syanobakteereilla päästään varsin nopeasti käytännön sovelluksiin, yksinkertaisimmilla tekniikoilla jo 5-10 vuodessa ja synteettisen biologian tuottamin mahdollisuuksin 10–15 vuodessa.

Huippuyksikkö selvittää kasvien ja syanobakteerien fotosynteesiä

Aron työ on hyvin kansainvälistä ja hän onkin niin huipulla omalla alallaan, että on saanut toistamiseen Suomen Akatemian huippuyksikön. Nyt päättyvän kauden huippuyksikkö toimi yhteistyössä Helsingin mikrobiologien kanssa, tuleva taas Helsingin kasvibiologien kanssa.

Moderni fotosynteesitutkimus käsittää biofysikaalisen, biokemiallisen ja molekyylibiologisen tutkimuksen lisäksi sekä systeemi- että synteettistä biologiaa, jotka molemmat ovat uusia biologian tutkimusaloja ja joista ensimmäinen tuottaa solu- ja yksilötason toiminnan kokonaisnäkemystä ja jälkimmäinen mahdollistaa käytännön sovelluksien suunnittelun ja toteutuksen. Systeemibiologia pyrkii solujen toimintamekanismien kokonaisvaltaiseen ymmärtämiseen tekemällä laajoja koesarjoja ja yhdistelemällä saatuja tietoja tietoteknisin menetelmin. Synteettinen biologia puolestaan yhdistää tieteen ja tekniikan. Siinä suunnitellaan ja rakennetaan sellaisia uusia biologisia funktioita ja järjestelmiä, joita ei tavata luonnossa.

Aron tutkimuksessa synteettistä biologiaa sovelletaan energian tehokkaaseen tuottamiseen biologisten organismien, lähinnä syanobakteerien, avulla. Aro muuntaa yhteistyössä eurooppalaisten kumppaniensa kanssa syanobakteerin genomia sellaiseksi, että se tuottaa mahdollisimman paljon biovetyä tai erilaisia hiilipohjaisia biopolttoaineita. Syanobakteereilla ei haluta tuottaa biomassaa, vaan ne halutaan valjastaa energiatehtaiksi, jotka solujen monistamisen sijaan tuottaisivat suoraan ihmiselle hyödynnettävissä olevia lopputuotteita, siis aurinkopolttoaineita.

”Biomassassa on jäljellä fotosynteesin sitomaa auringon energiaa hyvin vähän. Ajatellaan vaikkapa puita, joiden kasvuun menee kymmeniä vuosia ja kun ne lopulta kaadetaan, on niiden energiasisältö pientä verrattuna niiden elämän aikana sitomaan auringon energiaan. Tämä ’energiahäviö’ tietysti johtuu siitä, että puu kasvaa, haaroo, kehittyy, suojautuu tuholaisilta, talvehtii ja niin edelleen -  kaikki prosesseja, jotka kuluttavat suuria määriä energiaa puiden elinkierron aikana. Meidän tutkimuksemme on pyrkinyt siihen, että energia otetaan talteen hyvin nopeasti sen jälkeen, kun fotosynteesin valoreaktioissa on sidottu auringon energia ja muutettu se kemialliseksi energiaksi. Silloin pitäisi saada talteen ainakin 10–15 prosenttia sidottujen fotonien energiasta.”

Fotosynteesin hyödyntämisellä suuret haasteet

Aro muistuttaa, että ihmiskunnan pitäisi ehdottomasti päästä eroon fossiilisista polttoaineista. Hänen mukaansa ei kuitenkaan vielä ole varmuutta, millaiseen yhteiskuntaan energiatalouden kannalta ollaan menossa. Ehkä vety-yhteiskuntaan, jossa vetyä tuottamalla saataisiin puhtainta ja tehokkainta energiaa? Fotosynteesi on kuitenkin tuottanut myös fossiiliset polttoaineet kuten kivihiilen, öljyn tai turpeen.

”Fotosynteesi on miljoonien ja jopa miljardien vuosien aikana sitonut ilmakehän hiilidioksidia biomassaksi, josta fossiiliset polttoaineet ovat syntyneet kovan paineen alaisina maan uumenissa ja merien pohjissa. Nyt viimeisten sadan vuoden aikana suuri osa näin sidotusta hiilidioksidista on teollistumisen myötä päästetty takaisin taivaan tuuliin horjuttaen ilmakehän kaasutasapainoa. Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin IPCC:n vastikään julkaisema raportti yksiselitteisesti toteaa, että kasvihuoneilmiössä ihmisen toiminnalla on suuri vaikutus ja fossiilisista polttoaineista onkin päästävä eroon nopeasti. Puukin saatetaan, ainakin kantojen osalta, pian lukea fossiiliseksi polttoaineeksi juuri sen perusteella, miten polttaminen vaikuttaa ilmaston kaasutasapainoon.”

Aro myöntää, että tästä tullee kova isku Suomen puutaloudelle. Hän kuitenkin muistuttaa, että puuta erittäin arvokkaana materiaalina ei pitäisikään polttaa vaan jatkojalostaa paljon parempaan käyttöön. 

Euroopan tiedeyhteisöt yrittävät nyt yhteistuumin selvittää sitä, miten energiatarpeet tulisi tulevaisuudessa tyydyttää. Aro on mukana selvittämässä fotosynteesiin perustuvan uusiutuvan energian tulevaisuudenmahdollisuuksia. Hän näkee teeman valtavana, vielä liian isona porkkanana käsiteltäväksi. Esimerkiksi aurinko-, tuuli- ja aaltovoiman tuottamaa sähköä ei vielä pystytä varastoimaan, ja toisaalta suurin osa tänä päivänä käytettävästä energiasta on neste- tai kaasumuodossa olevaa polttoainetta.

Fotosynteesiä tehostettava myös ruoan tuotannossa

Lisäksi biopolttoainetta tuotetaan maailmalla ruoantuotannon kustannuksella, mistä pitäisi ehdottomasti päästä eroon kehittämällä uuden sukupolven biopolttoaineita, joita Aro kutsuu aurinkopolttoaineiksi. Fotosynteesiä pitäisi tehostaa myös ruoantuotannon lisäämiseksi, sillä ihmiskunnan väkimäärä lisääntyy jatkuvasti, mutta sadot ovat jo kääntyneet laskuun. Nämä ovatkin suuria tulevaisuuden haasteita. Siksi Aro on erittäin pahoillaan  EU:n negatiivisesta suhtautumisesta muuntogeenisiin kasveihin, jotka voisivat lievittää maapallon hätää merkittävästi ja johon myös suomalaisten geenimuuntelun vastaisella asenteella on suuri vaikutus.

Eva-Mari Aro on ollut jo 40 vuotta mukana tutkimusmaailmassa. Hän on aina halunnut tehdä perustutkimusta. Fotosynteesitutkijat kuitenkin heräsivät 2000-luvun alussa siihen, että fossiilisista polttoaineista eroon pääsemiseksi myös heidän piti laittaa kortensa kekoon. ”Synnyin uudestaan ja minulle oli suuri ilon aihe, että tekemästäni tutkimuksesta voisi olla hyötyä koko yhteiskunnalle. Aina ennen murehdin oman tutkimuspanokseni arvoa, olenko vain tuhlannut yhteiskunnan rahoja, onko minua ylläpidetty turhaan”, toteaa Aro, joka on harvoja naisia maailmassa fotosynteesitutkimuksen huipulla. 

Teksti: Leena Vähäkylä
Kuvat: Vesa-Matti Väärä