Достоинства и недостатки ветровой энергетики

 

ДОСТОИНСТВА:

Экологически-чистый вид энергии:
Производство электроэнергии с помощью «ветряков» не сопровождается выбросами CO₂ и каких-либо других газов.

Эргономика:
Ветровые электростанции занимают мало места и легко вписываются в любой ландшафт, а также отлично сочетаются с другими видами хозяйственного использования территорий.

Возобновимая энергия:
Энергия ветра, в отличие от ископаемого топлива, неистощима.

Ветровая энергетика — лучшее решение для труднодоступных мест:
Для удалённых мест установка ветровых электрогенераторов может быть лучшим и наиболее дешёвым решением.

 

 

НЕДОСТАТКИ:

Нестабильность:
Нестабильность заключается в негарантированности получения необходимого количества электроэнергии. На некоторых участках суши силы ветра может оказаться недостаточно для выработки необходимого количества электроэнергии.

Относительно невысокий выход электроэнергии:
Ветровые генераторы значительно уступают в выработке электроэнергии дизельным генераторам, что приводит к необходимости установки сразу нескольких турбин. Кроме того, ветровые турбины неэффективны при пиковых нагрузках.

Высокая стоимость:
Стоимость установки, производящей 1 мега-ватт электроэнергии, составляет 1 миллион долларов.

Опасность для дикой природы:
Вращающиеся лопасти турбины представляют потенциальную опасность для некоторых видов живых организмов. Согласно статистике, лопасти каждой установленной турбины являются причиной гибели не менее 4 особей птиц в год.

Шумовое загрязнение:
Шум, производимый «ветряками», может причинять беспокойство, как диким животным, так и людям, проживающим поблизости.

 

 

ФАКТЫ:

В США 32% всех мощностей ветрогенераторов было запущено в 2008 году.

«Ветряки» вырабатывают 1,5% всей потребляемой электроэнергии.

Ветровые электростанции побережий могут увеличить производство мировой электроэнергии в 40 раз.

Ожидается, что к 2010 году мощность всех ветровых электростанций в мире приблизится к 200 000 мега-ваттам (в настоящее время суммарная мощность всех «ветряков» составляет 121 188 мега-ватт).

Плюсы и минусы ветроэнергетики.

Ветер, как неисчерпаемый источник экологически чистой энергии, находит все более широкое применение и приобретает все большую общественную поддержку.
Начало использования энергии ветра восходит к древнему Вавилону (осушение болот), Египту (помол зерна), Китаю и Маньчжурии (откачка воды с рисовых полей). В Европе эта технология появилась в XII веке, но современные технологии стали использоваться только в XX веке.
Ветряные электростанции могут функционировать в районах со скоростью ветра выше 4,5 м/с. Они могут работать с сетью существующих электростанций либо быть автономными системами. Возникают также так называемые «ветряные фермы» — энергоблоки с некоторым количеством единиц техники, общих для всей системы. Наибольшее количество энергии из ветра в настоящее время производится в Соединенных Штатах, а в Европе — в Дании, Германии, Великобритании, Нидерландах. В Германии находится самая мощная электростанция в мире — 3 МВт. Aeolus II работает на ветряной ферме Вильгельмсхафен и производит ежегодно 7 млн. кВт/ч энергии, обеспечивая около 2 тысяч домашних хозяйств. Всего в мире уже более 20 тысяч ветряных электростанций.
Несмотря на массовое производство, стоимость строительства современной ветряной электростанции велика. Однако, следует отметить, что ничтожна стоимость ее эксплуатации. Экологические и экономические выгоды зависят от правильного расположения. Требует это детального и всестороннего анализа как технических аспектов, так и экологических, а также финансовых. Ветряная энергетика соответствует всем условиям, необходимым для причисления ее к экологически чистым методам производства энергии. Ее основными преимуществами являются:
1. Отсутствие загрязнения окружающей среды — производство энергии из ветра не приводит к выбросам вредных веществ в атмосферу или образованию отходов.
2. Использование возобновляемого, неисчерпаемого источника энергии, экономия на топливе, на процессе его добычи и транспортировки.
3. Территория в непосредственной близости может быть полностью использована для сельскохозяйственных целей.
4. Стабильные расходы на единицу полученной энергии, а также рост экономической конкурентоспособности по сравнению с традиционными источниками энергии.
5. Минимальные потери при передаче энергии – ветряная электростанция может быть построена как непосредственно у потребителя, так и в местах удаленных, которые в случае с традиционной энергетикой требуют специальных подключений к сети.
6. Простое обслуживание, быстрая установка, низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию.Противники ветряной энергетики находят в ней также и недостатки. Большинство потенциальных преград для использования этого вида энергии чрезмерно пропагандируются как недостатки, которые делают невозможным ее развитие. По сравнению с вредом, причиняемым традиционными источниками энергии, они незначительны:
1. Высокие инвестиционные затраты — они имеют тенденцию к снижению в связи с новыми разработками и технологиями. Также стоимость энергии из ветра постоянно снижается.
2. Изменчивость мощности во времени — производство электроэнергии зависит, к сожалению, от силы ветра, на которую человек не может повлиять.
3. Шум – исследования шума, выполненные с использованием новейшего диагностического оборудования, не подтверждают негативного влияния ветряных турбин. Даже на расстоянии 30-40 м от работающей станции, шум достигает уровня шума фона, то есть уровня среды обитания.
4. Угроза для птиц — в соответствии с последними исследованиями, вероятность столкновения лопастей ветряка с птицами не больше, чем в случае столкновения птицы с высоковольтными линиями традиционной энергетики.
5. Возможность искажения приема сигнала телевидения — незначительна.
6. Изменения в ландшафте.
Несмотря на все преимущества, ветряки имели серьезные недостатки. Эффект их работы зависел от погодных условий, поэтому в безветренные дни и дни, когда ветер очень сильный, ветряки не могли работать. Однако, энергия всех видов была, есть и будет нам нужна. Само слово «энергия» происходит от греческого слова energia и означает деятельность, активность. Ее использование может быть разнообразным. Наиболее всего мы нуждаемся в ней в промышленном производстве, отоплении, транспорте, для освещения. В начале она поставлялась нам из окружающей среды (природные ресурсы), такие как бурый уголь, древесина или нефть. Сегодня трудно представить себе жизнь без электроэнергии. Электричество нам необходимо так же, как вода и воздух.

Преимущество и недостатки ветровых электростанций по сравнению с тепловыми (ТЭС)

Использование сил природы для извлечения собственной выгоды является показателем развитости человека. В частности это касается применения силы ветра для собственных нужд. Очень давно человек не имел ни малейшего представления о физике и о перемещении воздушных масс вдоль плоскости земной поверхности, но использовать силу ветра в виде тяговой силы для судоходства человек научился вместе с изобретением паруса. Далее закономерным продолжением развития ученой мысли стало появление ветряков или ветряных мельниц.

Следующий глобальный прорыв в процессе контроля воздуха и ветра наступил в конце 19 века, когда на свет появилась первая ветряная электростанция. Проблема, которая привела к поискам альтернативного источника энергии, заключается в желании сэкономить, поскольку каждый год наблюдалось повышение цен на прочие виды топливных ресурсов.

Использование ветрогенераторов сегодня является очень распространенным способом получения электрической энергии, а современный ветряк известен каждому школьнику. Лидерами в количестве применяемых ветряных электростанций являются Соединенные Штаты Америки и Китай, но другие страны также понимают, что преимущество ветровых электростанций заключается в возможности получения дешевой энергии и эта отрасль энергетики получает значительное развитие.

Установка ветряка стоит намного ниже, чем проведение ЛЭП или подключение к уже существующей. При этом невысокая стоимость энергии ветра и простота, позволяющая самостоятельно изготовить простейший ветряк, делает ветряные электростанции популярными среди простых обывателей.

Назначение ветряных электростанций

Для удовлетворения ежедневной потребности потребителя требуется эксплуатация оборудования, которое способно выдавать до 10 кВт электроэнергии. При этом идеально смонтированная ветряная система должна состоять из нескольких ветрогенераторов, которые аккумулируют энергию в общую батарею. Это позволяет корректировать выходную мощность аккумулятора, подключая дополнительные или отключая лишний ветряк.

Бесперебойного снабжения энергией можно добиться при монтировании автономного комплекса. Но тут всплывает проблема и основной недостаток современной ветряной электростанции в сравнении с ТЭС, которая заключается в стабильности потока ветра для вырабатывания энергии постоянной мощности. Во избежание проблем многие комплексы оснащаются дополнительными или резервными источниками питания в виде дизельных или бензиновых генераторов, которые могут автоматически отключаться или подключаться в зависимости от силы ветра.

Принцип действия и конструкция ветряных электростанций

Чтобы понять, какими преимуществами обладают ветровые электростанций, следует знать принцип их работы и конструктивные особенности. В основу работы подобного устройства положено использование силы ветра, посредством которой вращаются лопасти колеса, передающего движение на вал генератора при помощи сложной системы передаточных звеньев. В зависимости от конструктивных особенностей конкретной системы энергия ветра может передаваться на электрический генератор или питать водяной насос. Зная простейшие законы физики, можно сформулировать условие максимизации получаемой энергии.

Количество получаемой от генератора энергии находится в пропорциональной зависимости от диаметра колеса и лопастей ветряка. Иными словами, чем больший поток ветра, тем быстрее начинает крутиться вал генератора и большее количество энергии вырабатывается.

Но руководствоваться лишь одним размером при выборе ветряка было бы ошибочным, поскольку на разных высотах потоки воздуха ведут себя по-разному. Именно в силу этого, при проектировании ветряных электростанций особое внимание уделяется особенностям рельефа местности.

Проблемы эксплуатации ветряных электростанций заключаются в необходимости порой установки очень высоких мачт, поскольку на большей высоте наиболее потоки воздуха более стабильны, а ближе к поверхности земли их сила сокращается. Эксплуатация тепловой электростанции (ТЭС) лишена подобного ограничения, поскольку для ее нормальной работы требуется только наличие топлива.

Конструктивно все ветряные электростанции подразделяются на три типа: пропеллерные, барабанные и карусельные. Различие по типам заключается в расположении стабилизаторных лопастей и вращающегося вала относительно потока ветра. Наиболее экономичным типом является пропеллерный, где лопасти располагаются в горизонтальной плоскости по отношению к направлению ветра. В двух других случаях вал генератора располагается вертикально. Барабанные и карусельные ветряки обычно устанавливаются в местностях, где роза ветров не играет существенной роли.

Ветровые электростанции: преимущества и недостатки

При выборе альтернативного источника энергии в виде установки ветряной станции возникает вопрос: Какими преимуществами обладают ветровые электростанции по сравнению с тепловыми?

• Простота конструкции, что позволяет обслуживать и эксплуатировать подобные объекты людям, не имеющим специального образования;
• Неиссякаемость источника вырабатываемой энергии. Самое главное преимущество ветровых электростанции на тепловыми в том, что для их работы используется энергия ветра, который относится к возобновляемым источникам. Эксплуатация тепловых станции (ТЭЦ) требует постоянного использования топлива, а ветер есть всегда;
• Экономичность. Использование ветряной станции это уникальный случай получения максимальной выгоды при минимальных затратах. Один генератор способен выдавать от 10 до 1000 Вт;
• Экологичность. Для работы ветряка не требуется переработки топлива, а соответственно не загрязняется атмосфера.

Преимущества ветровых электростанций по сравнению с ТЭС также включают в себя компактность, автономность, доступность.

Но, несмотря на преимущества ветровых электростанций по сравнению с тепловыми, они обладают рядом недостатков.

Какими недостатками обладают современные ветровые электростанции?

1. Ветряная зависимость. Этот недостаток вытекает из преимущества, поскольку при отсутствии ветра выработка энергии полностью прекратится;
2. Создание помех для радиосвязи и телекоммуникации;
3. Изменение естественного ландшафта;
4. Большая площадь, требуемая для установки целого блока генераторов;

В любом случае, если провести тщательный анализ, то можно прийти к выводу, что применение ветряных электростанций обладает большим количество плюсов, нежели минусов и является на настоящий момент самым простым и эффективным способом получения электрической энергии.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

✅ Недостатки вэс — правомосквы.рф

Энергия ветра: преимущества и недостатки

Освоение энергии ветра по всему миру, в последние годы, происходит весьма стремительно. Лидерами на данный момент являются Китай и США, однако и остальной мир постепенно развивает это перспективное направление «чистой» энергетики, базирующейся на неисчерпаемом природном ресурсе – энергии ветра. С каждым годом в мире устанавливается все больше и больше ветрогенераторов, и налицо тенденция к дальнейшему распространению технологии.

Давайте рассмотрим преимущества и недостатки использования ветроэлектрических установок.

1. Используется полностью возобновляемый источник энергии. В результате действия солнца, в атмосфере постоянно движутся воздушные потоки, для создания которых не требуется добывать, транспортировать, и сжигать никакое топливо. Источник принципиально неисчерпаем.

2. В процессе работы ветряной электростанции полностью отсутствуют вредные выбросы. Это значит, что отсутствуют как любые парниковые газы, так и какие бы то ни было отходы производства вообще. То есть технология экологически безопасна.

3. Ветряная станция не использует воду для своей работы.

4. Ветряная турбина и основные рабочие части таких генераторов расположены на значительной высоте над землей. Мачта, на которой установлена ветряная турбина, занимает небольшую площадь на земле, поэтому окружающее пространство может быть с успехом использовано для хозяйственных нужд, там могут быть размещены различные здания и сооружения, например, для сельского хозяйства.

5. Применение ветрогенераторов особенно оправдано для изолированных территорий, куда обычными способами электроэнергию не доставить, и автономное обеспечение для таких территорий является, пожалуй, единственным выходом.

6. После введения в эксплуатацию ветряной электростанции, стоимость киловатт-часа генерируемой таким образом электроэнергии значительно снижается. Например, в США специально исследуют работу вновь установленных станций, оптимизируют эти системы, и таким образом удается снижать стоимость электроэнергии для потребителей до 20 раз от первоначальной стоимости.

7. Техническое обслуживание в процессе эксплуатации минимально.

1. Зависимость от внешних условий в конкретный момент. Ветер может быть сильным, или его может не быть вообще. Для обеспечения непрерывной подачи электроэнергии потребителю в таких непостоянных условиях, необходима система хранения электроэнергии значительной емкости. Кроме этого, требуется инфраструктура для передачи этой энергии.

2. Сооружение ветровой установки требует материальных затрат. В некоторых случаях привлекаются инвестиции в масштабах регионов, что не всегда легко обеспечить. Именно стартовый этап, само возведение проекта является весьма дорогостоящим мероприятием. Упомянутая выше инфраструктура — немаловажная часть проекта, которая также стоит денег.

В среднем, стоимость 1 кВт установленной мощности составляет $1000.

3. Некоторые эксперты считают, что ветряки искажают природный ландшафт, что их вид нарушает естественную природную эстетику. Поэтому крупным фирмам приходится прибегать к помощи профессионалов по дизайну и ландшафтной архитектуре.

4. Ветряные установки производят аэродинамический шум, который может причинить дискомфорт людям. По этой причине в некоторых странах Европы принят закон, по которому расстояние от ветряка до жилых домов не должно быть меньше 300 метров, а уровень шума не должен превышать 45 дБ днем и 35 дБ ночью.

5. Есть небольшая вероятность столкновения птицы с лопастью ветряка, однако она настолько мала, что вряд ли нуждается в серьезном рассмотрении. А вот летучие мыши более уязвимы, поскольку строение их легких, в отличие от строения легких птиц, способствует получению смертельной баротравмы, при попадании млекопитающего в область пониженного давления около края лопасти.

Несмотря на недостатки, преимущества ветряных генераторов по части пользы для окружающей среды очевидны. Для наглядности стоит отметить, что работа ветрогенератора мощностью 1 МВт позволяет сэкономить за 20 лет около 29000 тонн угля или 92000 баррелей нефти.

Преимущества и недостатки ветроэлектростанций

Преимущества ветроэлектростанций

• Ветер — возобновляемый и практически неисчерпаемый источник энергии.
• Ветроэлектростанции не производят угарного газа (СО), углекислоты (С02) и окислов азота и серы, пылевых загрязнителей и других вредных отходов.
• Построенную крупную ветряную турбину сравнительно легко и дешево обслуживать.
• Ветроэлектростанции способны снизить зависимость от природного топлива, гидроресурсов и атомных реакторов для производства электричества.
• Крупные ветряные турбины можно широко расположить на местности. Это позволяет разнести источники электроэнергии по регионам и помочь созданию нечувствительной к сбоям системы электроснабжения (защищенной от катастрофических сбоев и терактов).
• Ветроэнергетика может использоваться как дополнительный источник энергии наряду с иными способами производства электричества. Это диверсифицирует систему электроснабжения страны.
• Крупные ветряные турбины можно размещать на офшорных платформах — на крупных озерах, в океане, так же как и на земле.
• Даже самые крупные ветряные турбины занимают мало места, ив местах их расположения можно осуществлять другую деятельность — заниматься сельским хозяйством или скотоводством, например.

Недостатки ветроэлектростанций

• Ветер — неустойчивый источник энергии. Его показатель производительности ниже, чем у подавляющего большинства других источников энергии (В районах, где ветер дует редко и не обладает большими скоростями, строить ВЭУ вообще нецелесообразно.).
• Гроза, ураган или снежный буран могут повредить или разрушить крупную ветряную турбину.
• Некоторым людям вид крупных ветряных турбин не нравится.
• Ветряные турбины производят шум. Однако даже на небольшом расстоянии от башни шум, производимый лопастями и турбиной, редко бывает слышнее, чем шум ветра.
• Крупные ветряные турбины иногда ранят и убивают птиц. Эту проблему можно частично решить за счет разумного выбора месторасположения ветроэнергостанции и за счет размещения самих турбин таким образом, чтобы они не находились близко друг от друга и чтобы их лопасти не вращались в одной плоскости.
• Энергия ветра не сможет сама по себе удовлетворить потребности в электричестве города, штата или государства целиком. Лучше всего использовать ее в качестве вспомогательного источника, в комбинации с природным топливом, гидроресурсами и атомными реакторами.
• Районы с постоянными ветрами, которые подходят для строительства ветроэлектростанции, как правило, находятся вдали от населенных центров, требуя строительства протяженных линий электропередачи.

Почему энергия ветра не используется шире? Если построить ветряные турбины по всем подходящим районам США, то хотя бы в некоторых из них в любой момент времени будет дуть хороший ветер. Если объединить все турбины в единую сеть, то мы получим постоянный и надежный источник электричества, разве нет?

Теоретически — да. В любой данный момент времени на территории США найдется несколько районов, где ветер дует с оптимальной для работы ветряных турбин скоростью. Проблема состоит в том, чтобы эффективно доставлять выработанную электроэнергию до конечных потребителей. Некоторые из них неизбежно будут оказываться слишком далеко от работающих электрогенераторов, чтобы передача им электроэнергии была эффективной. Пока еще не существует технологий, позволяющих сохранять выработанное за счет энергии ветра электричество в количествах, достаточных для регулярного электроснабжения городов и населенных пунктов.

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.

Достоинства и недостатки ветровой энергетики

ДОСТОИНСТВА:
— Экологически чистый вид энергии: Создание электроэнергии с поддержкою «ветряков» не сопровождается выбросами CO2 и каких-либо иных газов.
— Эргономика: Ветровые электростанции занимают совсем немного места и просто вписываются в хоть какой ландшафт, а также непревзойденно смешиваются с иными видами хозяйственного применения территорий.
— Возобновляемая энергия: Энергия ветра, в отличие от ископаемого горючего, неистощима.
— Ветровая энергетика — лучшее решение для труднодоступных мест: Для удалённых мест установка ветровых электрогенераторов может быть лучшим и более дешёвым решением.

НЕДОСТАТКИ:
— Непостоянность: Непостоянность содержится в негарантированности получения нужного количества электроэнергии. На неких участках суши силы ветра может оказаться недостаточно для выработки нужного количества электроэнергии.
— Условно низкий выход электроэнергии: Ветровые генераторы веско уступают в выработке электроэнергии дизельным генераторам, что приводит к необходимости установки сходу нескольких турбин. Не считая того, ветровые турбины неэффективны при пиковых отягощениях.
— Немалая стоимость: Стоимость установки, производящей 1 гига-ватт электроэнергии, около 1 миллиона баксов.
— Опасность для живой природы: Вертящиеся лопасти турбины представляют потенциальную опасность для неких видов живых организмов. По статистике, лопасти каждой установленной турбины являются предпосылкой погибели не менее 4 особей птиц в год.
— Шумовое загрязнение: Шум, производимый «ветряками», может причинять беспокойство, как животным, так и людям, живущим вблизи.

ФАКТЫ:
— В США 32% всех мощностей ветрогенераторов было запущено в 2008 году.
— «Ветряки» вырабатывают 1,5% всей употребляемой электроэнергии.
— Ветровые электростанции побережий могут прирастить мировую электроэнергию в 40 разов.
— Ожидается, что к 2010 году мощность всех ветровых электростанций в мире приблизится к 200 000 мега-ваттам (сегодня суммарная мощность всех «ветряков» около 121 188 мега-ватт).

Плюсы и минусы ветровых электростанций

Ветровая электростанция вырабатывает электричество с помощью специальных генераторов в виде ветряных турбин, работающих на энергии ветра. Именно такая энергия классифицируется как экологическая, потому что не используется топливо, полученное в процессе горения.

Как устроена ветровая электростанция

Ветряная электростанция содержит генератор, в котором энергия, вырабатываемая вращением ротора превращается в электрическую энергию. Ротор вращается с помощью винта или турбины. Чем больше генератор, тем больше энергии ветра он будет преобразовывать в электричество. Размер генератора должен соответствовать размеру винта или турбины. Если он будет слишком большим, то это будет препятствовать запуску при слабом ветре.

Преимущества и плюсы ветровых электростанций

• Бесплатная возобновляемая энергия. Энергия ветра является возобновляемой и бесплатной. Ветряки не выделяют CO₂ или других вредных веществ. Ветер является идеальным и бесконечным источником энергии. Строительство большего количества ветряных электростанций приводит к сокращению возникновения электростанций, которые выбрасывают в атмосферу вредные вещества.
• Разнообразие. Использование энергии ветра, способствует разнообразию источников энергии и позволяет минимизировать зависимость от обычных электростанций или других типов получения энергии.
• Будущее. У энергии ветра есть будущее! Создание новых ветряных электростанций приводит к технологическому развитию, техническим инновациям и созданию новых рабочих мест.
• Снижающиеся затраты. Затраты на получение энергии от ветра значительно снизились в последние годы. За последние двадцать лет стоимость снизилась на целых 80%, что делает этот вид энергии в настоящее время наиболее прибыльным из всех типов электростанций.
• Дополнительная прибыль. Владелец участка, на котором находятся ветряные электростанции, может рассчитывать на прибыль от предоставления этой земли в аренду, поскольку фактическая площадь, необходимая для электростанции невелика. Кроме того, землю, на которой располагается электростанция можно использовать в сельском хозяйстве (для выращивания разных культур) так как станции не имеют вредных выбросов.
• Благоразумие. Срок службы такой электростанции в среднем составляет 20-30 лет, и после ее демонтажа не остается никаких следов — ни в ландшафте, ни в атмосфере.
• Эффективность. Процесс эксплуатации ветровых станций довольно прост, время сборки очень короткое, а также затраты на эксплуатацию и обслуживание также довольно низкие. Электростанция производит в 85 раз больше энергии, чем потребляет. Также она имеет относительно небольшие потери при транспортировке энергии.
• Принятие. Настройка ветровой электростанции пользуется общественным признанием. Подавляющее большинство людей понимают и поддерживают преимущества использования этого вида энергии.

Недостатки ветровых электростанций

• Инвестиционные затраты. Ветряные электростанции влекут за собой большие инвестиционные затраты. Однако в настоящее время цены на строительство ветряных электростанций постоянно снижаются благодаря новым достижениям в области технологий.
• Непостоянство. Сила энергии ветра не постоянна, это вызывает колебания в выработке энергии. Ветер не всегда предсказуем, его даже может не быть несколько дней. Это означает, что ветряные турбины не производят одинаковое количество электроэнергии на протяжении всего времени. Иногда это приводит к полному отсутствию электричества.
• Опасность для птиц. Ветряные электростанции неблагоприятно воздействуют на окружающую среду, и на живые организмы. Они имеют мощные движущиеся элементы, которые могут убивать птиц и летучих мышей. Особенно это опасно в периоды миграции птиц. Однако это происходит редко, а также существует правило, которое гласит, что нельзя строить ветряные электростанции на миграционных маршрутах.
• Шум. Ветряные электростанции могут создавать шумы. Они являются источниками постоянных низкочастотных шумов. Эти низкочастотные шумы, создаваемые турбинами (около 40 дБ) и неслышимый инфразвук, могут вызывать у человека усталость.
• Помехи. Некоторые ветряные электростанции с большим диаметром лопастей и высокой скоростью вращения могут вызывать радиолокационные помехи, а также влиять на телевизионный сигнал.
• Влияние на здоровье. Ветряные электростанции имеют негативное влияние на здоровье людей, живущих рядом с ними. Вследствие их влияния у человек может возникнуть так называемый синдром ветряных турбин (проблемы со сном, концентрацией, головные боли и головокружение), поэтому рекомендуется размещать ветряные электростанции на расстоянии не менее 2,5 — 3 км от жилых зданий;
• Затраты на размещении. Одно из наиболее подходящих мест для размещения ветряных электростанций это недалеко от берега. Но земля у побережья, как известно, обычно очень дорогая.
• Нуждаются в поддержке. Ветряные электростанции производят электроэнергию около 30% времени и должны поддерживаться электростанциями, работающими например, на угле, которые в свою очередь продуцируют вредные выбросы.
• Снижение стоимости земли и недвижимости. Исследования показали, что стоимость недвижимости, расположенной в радиусе 1,6 км от ветряных станций, может существенно снижаться;
• Последствия. Расходы, связанные с мелиорацией земель и ликвидацией фундамента ветряков после окончания работы станции.
• Рабочие места. Возведение станций влияет на сокращение количества рабочих мест, для обслуживания дюжины ветряных мельниц требуется всего один человек;

Какой можно сделать вывод

Сторонники возобновляемой энергии выступают за строительство домашних ветряных электростанций, где только могут. Противники утверждают, что ветроэлектростанции оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Это вечный спор консерваторов с новаторами. Поэтому здесь уже каждый сам для себя решает, будет ли он инвестировать в свое будущее или продолжит пользоваться старыми и понятными методами, которые проверены временем.

Ветровые электростанции: принцип работы, преимущества и недостатки

К сожалению, ископаемое топливо не безгранично. С каждым годом запасов становится все меньше. Чтобы не наступил момент полного истощение ресурсов человечество дошло до альтернативной энергетики. Другими словами, теперь человек может получать электричество из энергии солнца, ветра, воды. В этой статье мы рассмотрим что такое ветряная электростанция и как она работает, какие типы ВЭС существуют, разберем все их достоинства и недостатки. Кроме того мы приведем примеры известных мировых и украинских производителей ветряков, которые можно найти на рынке.

Принцип работы ветровой электростанции

Вне зависимости от типа электростанции, ее принцип работы заключается в одном: поток ветра определенной силы раскручивает лопасти ветрогенератора. Буквально происходит следующее — подвижная часть вращается, передавая это же вращение непосредственно на генератор. Благодаря этому в системе и образуется электропоток.

Далее он заряжает установленные аккумуляторы, которые подключены к инверторам. Они, в свою очередь преобразовывают полученный ток в обычное напряжение, которое необходимо для питания приборов, оборудования и техники. Для получения большего объема мощности отдельные ветрогенераторы соединяют в сеть, образуя при этом ветровую электростанцию.

Если же разделить ВЭС на два основных типа, то они бывают роторными и крыльчатыми. Первые оснащены вертикальной осью вращения, за счет чего более удобные в работе, малошумные и не привязаны к направлению ветра. Но, в свою очередь, роторные станции считаются менее эффективными и производительными и чаще всего устанавливаются на мелких, частных станциях.

Для выработки энергии в больших, промышленных масштабах, используют крыльчатые установки. Однако же в обслуживании и монтаже куда сложнее. Крыльчатые ветряки важно располагать в правильно направлении ветра для получения большей производительности.

Уcтpoйcтвo и виды вeтpoвых элeктpocтaнций

ВЭС вырабатывает электроток благодаря энергии ветра. Промышленные и крупные ветровые станции состоят из нескольких больших ветряков, которые соединены в одну сеть. Их мощности хватает для обеспечения электричеством сел, поселков и городов. Мелкие станции вырабатывают меньше мощности, но даже ее может хватить на удовлетворение энергопотребности небольшого массива.

По функциональности ветровые электростанции можно разделить на:

В зависимости от расположения ВЭС бывают:

Также станции можно разделить по типу конструкции:

Преимущества и недостатки ВЭС

Самым основным достоинством ветровой станции является независимость от ископаемого топлива. Для работы и генерации электричества ВЭС использую полностью бесплатный источник — ветер. К тому же, ветропарк не наносит природе никакого урона, как, например, гидроэлектростанции. То есть, можно сказать, что ВЭС — экологически чистая и безвредная методика получения энергии.

Однако можно выделить и некоторые недостатки, среди которых основным можно выделить высокую стоимость оборудования. В результате это влияет и на цену конечного продукта — ветровой энергии. Говоря о финансовой стороне стоит упомянуть долгую и практически отсутствующую окупаемость оборудования. Кроме того для сбережения энергии также требуется большое количество аккумуляторов, поскольку ветер не всегда есть, что провоцирует перебои в генерации. Среди минусов можно также назвать высокий шум от работы ветряков и низкий уровень КПД, который практически невозможно увеличить.

Вeдyщиe мировые производители

Поскольку рынок альтернативной энергетики непрестанно растет и развивается, существует огромное количество компаний, специализирующихся на строительстве ветрогенераторов. Среди большого количества компаний мы выделили пятерку самый популярных и надежных.

Датская компания Vestas

Предприятие Vestas Wind Systems A/S одним из первых начало производство, установку и обслуживание ветрогенераторов еще в 1986 году. С тех пор она добилась колоссальных успехов в отрасли альтернативной энергетики. Vestas являются одним из самых крупных застройщиков ветроэлектростанций. На счету предприятия около 10 тысяч МВт мощности со всех произведенных единиц.

Немецкое производство Nordex

Компания была основана в 1985 году, еще до того как в первой половине 90-х годов увеличился спрос на ветряные турбины в мире. С самого начала Nordex сосредоточились на больших и мощных турбинах. Всего за два года, в 1995, компания установила самую большую в мире ветряную турбину N54 на 1000 кВт. С серийно выпускаемыми мульти-мегаваттными ветряными турбинами Generation Gamma, компания может предложить высокоэффективные ветряные турбины для наземного использования. С 2013 года Nordex выпускает Delta Generation для сильных, средних и слабых ветров.

Немцы Superwind

Она просто разрабатывает, проектирует и производит свою продукцию наивысшего качества, чтобы удовлетворить потребности клиентов. Компания тесно сотрудничает с системными интеграторами и высококвалифицированными дистрибьюторами по всему миру.

Испанская компания Ecotecnia

Ecotècnia была производителем и установщиком ветряных турбин, основанным в 1981 году с главным офисом в Барселоне . Первым ветрогенератором компании была установка мощностью 30 кВт, разработанная в 1984 году при финансовой поддержке Министерства науки Испании. Со временем и активным развитием компания увеличила выходную мощность своей ветряной турбины до 1,67 МВт. А к 2007 году Ecotècnia установила ветряные электростанции с общей мощностью более 1 ГВт. Основным продуктом, которые завоевал весь мир, является морская ветряная турбина Haliade мощностью 6 МВт, одна из самых мощных турбин на Земле.

Французское предприятие Vergnet

Компания Vergnet, основанная в 1989 году, обладает более чем 25-летним опытом инженерного совершенства. Главный офис находится в Орлеане, Франция. В штате компании числится 166 сотрудников в 10 офисах по всему миру, работающих в более чем 40 странах. На сегодняшний день Vergnet установили более 900 ветровых турбин, выполнили более 45 МВт солнечных проектов и разработали ряд уникальных гибридных энергетических решений, включая первый в своем роде Hybrid Wizard™. Всемирная ветроэнергетическая ассоциация (WWEA) вручила Vergnet престижную премию World Wind Energy Award 2013, ежегодно присуждаемую отдельным лицам и организациям, которые внесли огромный вклад в использование энергии ветра во всем мире.

Украинские производители ветровых турбин

Украинское производство еще не настолько развито, чтобы конкурировать с иностранными компаниями. Однако одно из самых крупных производств ветряных мельниц не для промышленного использования принадлежит предприятию FLAMINGO AERO. Мощность из ветрогенераторов варьируется от 0,8 до 20 кВт.

Также стоит выделить фирму Winder, которая уже на протяжении 14 лет обеспечивает ветряными генераторами частные дома и небольшие предприятия.

Но несомненным лидером украинского рынка смело можно назвать «Фурлендер Виндтехнолоджи». Они первые и единственные на территории стран постсоветского пространства, кто производит ветрогенераторы мультимегаватного класса.

Самая большая электростанция

Самый крупный по габаритам и производимой мощности ветрогенератор в мире считается Энеркон Е-126 (Enercon E-126). Производитель гиганта — немецкая компания, специализирующаяся на проектировании, строительстве и монтаже ветровых электростанций. Первый такой ветряк был установлен еще в 2007 году в немецком городе Эмден. Тогда его мощность составляла 6 МВт. Позже, в 2009 году, провели модернизацию турбины, увеличив мощность до 7,58 МВт. Отметим, что какой бы ни был надежный ветрогенератор, его мощность все равно колеблется в зависимости от погодных условий.

Но что остается неизменным, так потрясающие размеры. Ветряк имеет высоту основной колонны в 135 метров, а диаметр подвижного ротора равен 127 метрам. То есть, если лопасть поднимается вверх, общая высота сооружения достигает 198 метров. А вес ветряка равен 6000 тоннам.

На фото ниже мы покажем размеры этого гиганта. На первой картинке может показаться, что лопасть ветряка просто огромна, однако это только ее половина.

На втором фото представлена целая лопасть Энеркона.

Также представлены фото, где ветряк можно сравнить с другими вещами, привычного нам размера.

Oбзop пoпyляpных моделей мировых производителей

Датская компания Vestas выпускает ветротурбину V112. Отличительной особенностью этой модели является то, что предприятие производит как морскую турбину, которую можно размещать на шельфовой зоне, так и береговую. Представляют собой турбины Vestas огромные промышленные ветряки, у которых диаметр ротора равен 112 метрам, а номинальная мощность — 3000 кВт. Ветряк функционирует на разной скорости ветра — от 4 до 23 м/с. Шесть таких ветряков были установлены в 2017 году во Львовской области, на ВЭС “Старый Самбор-2”.

Еще один промышленный ветряк, но уже украинского производства от компании “Фурлендер Виндтехнолоджи”. WTU-2.0 имеет номинальную мощность в 2 мВт, а диаметр ротора достигает 100 метров. Минимальная скорость ветра, при которой работает ветряк, 3 м/с, а максимальная — 25 м/с. 22 ветряка WTU-2.0 от “Фурлендер Виндтехнолоджи” были введены в эксплуатацию в Казахстане.

Немецкая компания Enercon выпускает три модели наземных ветряков E66 разной мощности: 1500 кВт, 1800 кВт и 2000 кВт. Диаметр их ротора неизменен, несмотря на разную производимую мощность, и равен 66 метрам. Трехлопастные ветряки работают при минимальной скорости ротора в 8 об/мин и максимальной в 22 оборота в минуту.

Также в Германии есть предприятие, выпускающее небольшие ветряки, схожие больше для частного использования. Как пример — Nordex N27, которые включают в себя турбины разной мощности: 150 кВт, 225 кВт и 250 кВт. Диаметр роторной подвижной части достигает 27 метров. Это старые модели, которые теперь сложно найти на рынке новыми и продаются они в основном в состоянии б/у. Средняя цена варьируется между 22 и 25 тысячами евро.

Невероятную производительность также имеет ветровой генератор Siemens SWT-7.0-154. Его мощность достигает 7 МВт, а диаметр движущейся части — 154 метра. Гигант работает при минимальной скорости ветра в 3 м/с и при максимальной в 25 м/с. Трехлопастный ветряк работает на прямом приводе и на одном генераторе. Стоимость формируется индивидуально для заказчика, исходя из объемов производства и количества ветряков.

Источники:

http://electricalschool.info/energy/1539-jenergija-vetra-preimushhestva-i.html
http://www.enersy.ru/energiya/preimuschestva-i-nedostatki-vetroelektrostantsiy.html
http://alternativenergy.ru/vetroenergetika/21-dostoinstva-i-nedostatki-vetrovoj-yenergetiki.html
http://plusiminusi.ru/plyusy-i-minusy-vetrovyx-elektrostancij/
http://uaenergy.com.ua/post/32527/vetrovye-elektrostancii-princip-raboty-preimuschestva-i-nedostatki

Энергия ветра: плюсы и минусы

Электроэнергия

Электроэнергия — уникальный ресурс. Ее можно вырабатывать в любых количествах, она неиссякаема и не базируется на ископаемых элементах. Такие свойства делают электроэнергию очень востребованной, распространенной и популярной. Существует и оборотная сторона — для производства электричества требуется достаточно мощное оборудование, требующее обслуживания, ремонта и прочих работ, которые могут производиться только квалифицированными людьми.

Электрические магистрали, разветвленная сеть которых охватывает всю страну, ведут только к густонаселенным районам, минуя отдаленные регионы. Это объяснимо, так как расходы на проведение ЛЭП очень велики, поэтому в первую очередь обеспечиваются электричеством только самые крупные пункты.

Способы автономного получения электроэнергии и их последствия

Решить проблему отсутствия электричества можно разными способами. Распространены дизельные и бензиновые генераторы, иногда встречаются мини-ГЭС, позволяющие обеспечить энергией небольшой поселок. Все эти способы имеют определенный недостаток — они отрицательно влияют на окружающую природу. Выбросы от двигателей бензиновых или дизельных генераторов губительно воздействуют на атмосферу, содержат пары свинца и прочих вредных химических соединений.

Дамбы, образуемые для создания мини-ГЭС создают искусственные водоемы, нарушающие естественное равновесие природных процессов в регионе, изменяют гидродинамический режим грунтовых водоносных пластов, объемы питания рек, расположенных ниже по течению. Все эти воздействия запускают процессы, уничтожающие природные богатства страны. Самое опасное в них — незаметность и постепенность действия. Все происходит очень медленно, исподволь, пока в один день не оказывается, что произошли необратимые изменения, полностью меняющие состояние экологии в регионе.

Альтернативные источники энергии

Кроме традиционных, наиболее распространенных способов получения электричества существуют другие, менее используемые, но вполне эффективные средства. К ним относятся солнечная энергия, приливные электростанции, АЭС и другие энергоблоки, способные вырабатывать электричество в промышленных масштабах или для нужд отдельного дома. Но существует один способ, имеющий массу преимуществ перед остальными.

Речь идет о ветроэнергетике, вполне эффективной и активно развивающейся отраслью энергетики в странах Запада. Потоки ветра, перемещающиеся по атмосфере, имеют огромную энергию, которая используется пока еще довольно скудно.

В России такими разработками занялись относительно недавно, так как в советское время ветроэнергетика считалась убыточной и непроизводительной отраслью. Упор делался на крупные гидроэлектростанции, позволяющие обеспечивать энергией индустриальные регионы, питать производственные цеха и металлургические комбинаты. В сравнении с потребностями промышленности, расходы энергии на бытовые нужды населения незначительны, поэтому обеспечивались практически по остаточному принципу. Поэтому и существуют до сих пор регионы, куда магистрали электроснабжения не проведены.

Ветроэнергетика — наиболее удачный выход из положения. Дело в том, что при помощи одного-двух ветряков можно обеспечить энергией всю усадьбу, не создавая крупную сеть с множеством дорогостоящего оборудования.

Плюсы и минусы ветровых электростанций

Ветровые электростанции имеют массу достоинств. В их числе:

• компактность. Ветряк занимает точечное положение и не требует какой-то территории для функционирования
• полная безопасность для окружающей среды. Ветрогенератор только получает энергию, ничего не отдавая взамен, поэтому внести в экологию какие-либо изменения он не может
• отсутствие потребностей в каком-либо топливе, вся работа системы производится абсолютно автономно
• высокая ремонтопригодность ветряков, особенно в сравнении с гидроэлектрстанциями
• расходы на получение энергии стабильны и поддаются прогнозированию
• минимальные потери энергии при передаче, возможность установки ветряков вблизи от потребителей

При таких значительных преимуществах, делающих ветроэнергетику весьма привлекательной отраслью, существует немало аргументов против нее. Если не считать различных утверждений о вреде для птиц или о сильном шуме, издаваемом ветряками, которые на проверку оказываются просто несостоятельными, можно выделить несколько действительно серьезных недостатков:

• высокие единовременные вложения, особенно если речь идет о ветроэлектростанции, объединяющей несколько десятков ветряков
• непостоянство скорости и направления потоков ветра, которые трудно предсказать или запланировать. Здесь же надо отметить случающиеся шквалы или штормы, способные вывести из строя высокие мачты с лопастями, не готовыми к таким нагрузкам
• КПД ветрогенераторов в лучшем случае составляет 30%, а в среднем — гораздо меньше, что является самым серьезным аргументом против такого направления энергетики

Следует учитывать, что рассматривать ветроэнергетику в качестве альтернативы гидроэнергетике можно только с позиций полной недоступности последней.

При равных возможностях первенство ГЭС очевидно, поэтому речь не идет о замене одного типа станций на другой, а лишь о возможности получения энергии при отсутствии обычных методов.

Если рассуждать на бытовом уровне, то приобретение ветряка, даже недорогого, весьма сильно ударит по семейному бюджету. Учитывая реалии, можно вполне ответственно утверждать, что в большинстве регионов, где нет электричества, покупка промышленного ветряка людям не по карману. Другое дело — самостоятельное изготовление. Здесь картина иная, так как техническое творчество у русского человека в крови, а если к тому подталкивают жизненные обстоятельства, то самая серьезная мотивация обеспечена.

Виды ветрогенераторов

Существующие конструкции ветрогенератоов делятся в первую очередь на горизонтальные и вертикальные. Устройства с горизонтальной осью вращения являются более эффективными, стабильнее в работе и обеспечивают более ровные результаты, но нуждаются в постоянном наведении на ветер и более сложны в самостоятельном изготовлении.

Ветряки с вертикальной осью вращения просты и доступны для изготовления своими руками. Они не требовательны к направлению ветра или высоте подъема над землей, главным условие для них является отсутствие поблизости крупных зданий или сооружений, заслоняющих ветер.

Недостаток этих конструкций — относительно низкая эффективность, вызванная одновременным воздействием как на рабочую часть лопастей, так и на обратную, создавая усилие, уравновешивающее лопасти в состоянии покоя. Для решения этого вопроса созданы разные конструкции роторов, в число которых входят:

Разница между этими конструкциями заключается в конфигурации лопастей и в том, как решается вопрос с отрицательным воздействием на их обратную сторону. Наиболее простая и доступная конструкция Савониуса представляет собой две изогнутые по продольной оси лопасти, расположенные по диаметральной оси. Самая сложная на сегодняшний день — конструкция Третьякова, представляющая собой систему воздухозаборников и направляющих конструкций, организующих поток воздуха таким образом, чтобы полностью исключить потери от противонаправленных воздействий.

Выбор прототипа для самостоятельного изготовления обычно делается исходя из возможностей, наличия оборудования и материалов и прочих обстоятельств, способных повлиять на принятие решения. Необходимо понимать, что создание ветряка — это не решение вопроса, для того, чтобы включить лампочку, надо сначала изготовить собственно генератор, инвертор, подключить аккумуляторы, установить контроллер заряда, соединить все это должным образом и настроить работу комплекса.

Как самостоятельно сделать ветрогенератор

Ответ на этот вопрос лежит в плоскости подготовки человека в теоретическом или техническом плане. Обычный порядок работ примерно следующий:

• создание проекта
• произведение всех доступных расчетов
• подготовка материалов
• приобретение элементов системы, которые невозможно сделать самостоятельно (например, аккумуляторов)
• изготовление вращающихся частей (ротора)
• установка ротора, проверка рабочих качеств, внесение необходимых конструктивных изменений
• сборка генератора (если планируется собрать его самостоятельно, а не использование готовых образцов)
• соединение всей системы в комплекс, пробный запуск
• настройка системы, регулировочные работы
• эксплуатация

Полезное видео

Порядок работ определен условно, в каждом конкретном случае имеют место собственные условия или возможности. Некоторые пользователи обходятся без аппаратуры, подключая приборы потребления непосредственно к генератору. Это позволяют делать с собой далеко не все устройства или приборы, но, например, ТЭНы таким образом включить можно. Так делается, если дополнительного оборудования пока не имеется, а греть воду уже надо. Кроме того, необходимо, чтобы скорость ветра была более-менее постоянной и ровной.

Рекомендуемые товары

особенности, цена, преимущества и недостатки.| UA Energy

К сожалению, ископаемое топливо не безгранично. С каждым годом запасов становится все меньше. Чтобы не наступил момент полного истощение ресурсов человечество дошло до альтернативной энергетики. Другими словами, теперь человек может получать электричество из энергии солнца, ветра, воды. В этой статье мы рассмотрим что такое ветряная электростанция и как она работает, какие типы ВЭС существуют, разберем все их достоинства и недостатки. Кроме того мы приведем примеры известных мировых и украинских производителей ветряков, которые можно найти на рынке.

Принцип работы ветровой электростанции

Вне зависимости от типа электростанции, ее принцип работы заключается в одном: поток ветра определенной силы раскручивает лопасти ветрогенератора. Буквально происходит следующее — подвижная часть вращается, передавая это же вращение непосредственно на генератор. Благодаря этому в системе и образуется электропоток. 

Далее он заряжает установленные аккумуляторы, которые подключены к инверторам. Они, в свою очередь преобразовывают полученный ток в обычное напряжение, которое необходимо для питания приборов, оборудования и техники. Для получения большего объема мощности отдельные ветрогенераторы соединяют в сеть, образуя при этом ветровую электростанцию.

Если же разделить ВЭС на два основных типа, то они бывают роторными и крыльчатыми. Первые оснащены вертикальной осью вращения, за счет чего более удобные в работе, малошумные и не привязаны к направлению ветра. Но, в свою очередь, роторные станции считаются менее эффективными и производительными и чаще всего устанавливаются на мелких, частных станциях.

Для выработки энергии в больших, промышленных масштабах, используют крыльчатые установки. Однако же в обслуживании и монтаже куда сложнее. Крыльчатые ветряки важно располагать в правильно направлении ветра для получения большей производительности.

Уcтpoйcтвo и виды вeтpoвых элeктpocтaнций

ВЭС вырабатывает электроток благодаря энергии ветра. Промышленные и крупные ветровые станции состоят из нескольких больших ветряков, которые соединены в одну сеть. Их мощности хватает для обеспечения электричеством сел, поселков и городов. Мелкие станции вырабатывают меньше мощности, но даже ее может хватить на удовлетворение энергопотребности небольшого массива. 

По функциональности ветровые электростанции можно разделить на:

• стационарные;
• мобильные.

В зависимости от расположения ВЭС бывают:

• наземные;
• прибрежные;
• плавающие;
• офшорные.

Также станции можно разделить

по типу конструкции:

• роторные;
• крыльчатые.

Преимущества и недостатки ВЭС

Самым основным достоинством ветровой станции является независимость от ископаемого топлива. Для работы и генерации электричества ВЭС использую полностью бесплатный источник — ветер. К тому же, ветропарк не наносит природе никакого урона, как, например, гидроэлектростанции. То есть, можно сказать, что ВЭС — экологически чистая и безвредная методика получения энергии.

Однако можно выделить и некоторые недостатки, среди которых основным можно выделить высокую стоимость оборудования. В результате это влияет и на цену конечного продукта — ветровой энергии. Говоря о финансовой стороне стоит упомянуть долгую и практически отсутствующую окупаемость оборудования. Кроме того для сбережения энергии также требуется большое количество аккумуляторов, поскольку ветер не всегда есть, что провоцирует перебои в генерации. Среди минусов можно также назвать высокий шум от работы ветряков и низкий уровень КПД, который практически невозможно увеличить. 

Вeдyщиe мировые производители 

Поскольку рынок альтернативной энергетики непрестанно растет и развивается, существует огромное количество компаний, специализирующихся на строительстве ветрогенераторов. Среди большого количества компаний мы выделили пятерку самый популярных и надежных.

Датская компания Vestas

Предприятие Vestas Wind Systems A/S одним из первых начало производство, установку и обслуживание ветрогенераторов еще в 1986 году. С тех пор она добилась колоссальных успехов в отрасли альтернативной энергетики. Vestas являются одним из самых крупных застройщиков ветроэлектростанций. На счету предприятия около 10 тысяч МВт мощности со всех произведенных единиц.

Немецкое производство Nordex

Компания была основана в 1985 году, еще до того как в первой половине 90-х годов увеличился спрос на ветряные турбины в мире. С самого начала Nordex сосредоточились на больших и мощных турбинах. Всего за два года, в 1995, компания установила самую большую в мире ветряную турбину N54 на 1000 кВт. С серийно выпускаемыми мульти-мегаваттными ветряными турбинами Generation Gamma, компания может предложить высокоэффективные ветряные турбины для наземного использования. С 2013 года Nordex выпускает Delta Generation для сильных, средних и слабых ветров.

Немцы Superwind

Компания Superwind GmbH была основана в 2004 году после четырех лет успешных исследований, проектирования и испытаний. Ветрогенераторы предприятия запатентованы в мире микротурбин. С тех пор тысячи коммерческих турбин Superwind 350 и Superwind 1250 обеспечивали бесшумную и надежную генерацию электричества от ветра как на суше, так и на воде. Superwind GmbH является частной компанией, управляемой основателями Клаусом Кригером и Мартином ван Эгереном. Компания не стремится продавать акции или искать инвесторов.

Она просто разрабатывает, проектирует и производит свою продукцию наивысшего качества, чтобы удовлетворить потребности клиентов. Компания тесно сотрудничает с системными интеграторами и высококвалифицированными дистрибьюторами по всему миру.

Испанская компания Ecotecnia

Ecotècnia была производителем и установщиком ветряных турбин, основанным в 1981 году с главным офисом в Барселоне. Первым ветрогенератором компании была установка мощностью 30 кВт, разработанная в 1984 году при финансовой поддержке Министерства науки Испании. Со временем и активным развитием компания увеличила выходную мощность своей ветряной турбины до 1,67 МВт. А к 2007 году Ecotècnia установила ветряные электростанции с общей мощностью более 1 ГВт. Основным продуктом, которые завоевал весь мир, является морская ветряная турбина Haliade мощностью 6 МВт, одна из самых мощных турбин на Земле.

Французское предприятие Vergnet

Компания Vergnet, основанная в 1989 году, обладает более чем 25-летним опытом инженерного совершенства. Главный офис находится в Орлеане, Франция. В штате компании числится 166 сотрудников в 10 офисах по всему миру, работающих в более чем 40 странах. На сегодняшний день Vergnet установили более 900 ветровых турбин, выполнили более 45 МВт солнечных проектов и разработали ряд уникальных гибридных энергетических решений, включая первый в своем роде Hybrid Wizard™. Всемирная ветроэнергетическая ассоциация (WWEA) вручила Vergnet престижную премию World Wind Energy Award 2013, ежегодно присуждаемую отдельным лицам и организациям, которые внесли огромный вклад в использование энергии ветра во всем мире.

Украинские производители ветровых турбин

Украинское производство еще не настолько развито, чтобы конкурировать с иностранными компаниями. Однако одно из самых крупных производств ветряных мельниц не для промышленного использования принадлежит предприятию FLAMINGO AERO. Мощность из ветрогенераторов варьируется от 0,8 до 20 кВт. 

Также стоит выделить фирму Winder, которая уже на протяжении 14 лет обеспечивает ветряными генераторами частные дома и небольшие предприятия.

Но несомненным лидером украинского рынка смело можно назвать «Фурлендер Виндтехнолоджи». Они первые и единственные на территории стран постсоветского пространства, кто производит ветрогенераторы мультимегаватного класса. 

Самая большая электростанция

Самый крупный по габаритам и производимой мощности ветрогенератор в мире считается Энеркон Е-126 (Enercon E-126). Производитель гиганта — немецкая компания, специализирующаяся на проектировании, строительстве и монтаже ветровых электростанций. Первый такой ветряк был установлен еще в 2007 году в немецком городе Эмден. Тогда его мощность составляла 6 МВт. Позже, в 2009 году, провели модернизацию турбины, увеличив мощность до 7,58 МВт. Отметим, что какой бы ни был надежный ветрогенератор, его мощность все равно колеблется в зависимости от погодных условий.

Но что остается неизменным, так потрясающие размеры. Ветряк имеет высоту основной колонны в 135 метров, а диаметр подвижного ротора равен 127 метрам. То есть, если лопасть поднимается вверх, общая высота сооружения достигает 198 метров. А вес ветряка равен 6000 тоннам.

На фото ниже мы покажем размеры этого гиганта. На первой картинке может показаться, что лопасть ветряка просто огромна, однако это только ее половина. 

На втором фото представлена целая лопасть Энеркона. 

Также представлены фото, где ветряк можно сравнить с другими вещами, привычного нам размера.

Oбзop пoпyляpных моделей мировых производителей

Датская компания Vestas выпускает ветротурбину V112. Отличительной особенностью этой модели является то, что предприятие производит как морскую турбину, которую можно размещать на шельфовой зоне, так и береговую. Представляют собой турбины Vestas огромные промышленные ветряки, у которых диаметр ротора равен 112 метрам, а номинальная мощность — 3000 кВт. Ветряк функционирует на разной скорости ветра — от 4 до 23 м/с. Шесть таких ветряков были установлены в 2017 году во Львовской области, на ВЭС “Старый Самбор-2”.

Еще один промышленный ветряк, но уже украинского производства от компании

“Фурлендер Виндтехнолоджи”. WTU-2.0 имеет номинальную мощность в 2 мВт, а диаметр ротора достигает 100 метров. Минимальная скорость ветра, при которой работает ветряк, 3 м/с, а максимальная — 25 м/с. 22 ветряка WTU-2.0 от “Фурлендер Виндтехнолоджи” были введены в эксплуатацию в Казахстане.

Немецкая компания Enercon выпускает три модели наземных ветряков E66 разной мощности: 1500 кВт, 1800 кВт и 2000 кВт. Диаметр их ротора неизменен, несмотря на разную производимую мощность, и равен 66 метрам. Трехлопастные ветряки работают при минимальной скорости ротора в 8 об/мин и максимальной в 22 оборота в минуту. 

Также в Германии есть предприятие, выпускающее небольшие ветряки, схожие больше для частного использования. Как пример — Nordex N27, которые включают в себя турбины разной мощности: 150 кВт, 225 кВт и 250 кВт. Диаметр роторной подвижной части достигает 27 метров. Это старые модели, которые теперь сложно найти на рынке новыми и продаются они в основном в состоянии б/у. Средняя цена варьируется между 22 и 25 тысячами евро.

Невероятную производительность также имеет ветровой генератор Siemens SWT-7.0-154. Его мощность достигает 7 МВт, а диаметр движущейся части — 154 метра. Гигант работает при минимальной скорости ветра в 3 м/с и при максимальной в 25 м/с. Трехлопастный ветряк работает на прямом приводе и на одном генераторе. Стоимость формируется индивидуально для заказчика, исходя из объемов производства и количества ветряков.

Подводные камни ветряной энергетики: «лопасти-убийцы» и другое — Энергетика и промышленность России — № 03-04 (311-312) февраль 2017 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 03-04 (311-312) февраль 2017 года

Однако наряду с неоспоримыми плюсами ветряная энергетика имеет и свои минусы.

Что такое ветряная энергетика? По сути, энергия ветра – это преобразованная в кинетическую энергию молекул воздуха энергия солнца. Проще говоря, энергия ветра, как и энергия волн, – это разновидность солнечной энергии, энергии, которая будет нам доступна столько времени, сколько будут существовать Солнце и наша планета.

Энергию ветра люди научились использовать еще в древности. Так, уже в Древнем Египте ветер использовали для помола зерна, а в Вавилоне и Китае – для осушения полей. Наконец, в XX веке ветер стали использовать непосредственно для получения электроэнергии. Сторонники ветро­энергетики заявляют о сплошных плюсах подобного подхода: отмечают ничтожную стоимость эксплуатации ветряной электростанции, то, что ветряная энергетика соответствует всем условиям, необходимым для причисления ее к экологически чистым методам производства.

Недовольные соседи

Однако противники ветряной энергетики находят в ней и недостатки. Причем если некоторые из них по сравнению с вредом, причиняемым традиционными источниками энергии, незначительны, то другие заставляют серьезно задуматься о дальнейших перспективах ветряной отрасли.

Начнем с простейших из них. Например, многие считают, что ветряки, торчащие здесь и там, портят вид местности. Поэтому соседи могут воспротивиться сооружению ветряной турбины (это называется «синдромом отчужденности»). Кроме того, лопасти винтов при работе издают шум, который раздражает живущих по соседству (при этом малые ветряные турбины, часто устанавливаемые в непосредственной близости от жилья, шумят сильнее – скорость их вращения выше, чем у крупных турбин, и они находятся ближе к земле). А отсутствие согласия соседей на установку турбины может поставить крест на ваших планах получать энергию от ветра.

Между прочим, у соседей могут быть и вполне рациональные причины невзлюбить ветряк. Так, есть мнение, что турбины создают помехи, ухудшающие прием радио- и телепередач. Кроме того, на многих негативно воздействует и постоянное мелькание солнечного света, прерываемого лопастями или отражающегося от них. При определенной частоте мельканий у некоторых людей даже возникают эпилептические припадки.

Финансовый аспект

Есть у ветряных электростанций минусы и посерьезнее. Не стоит забывать, что ветер – неустойчивый источник энергии. Сила ветра весьма переменчива и зачастую непредсказуема, что требует использования дополнительного буфера для накапливания избыточной электроэнергии или дублирования источника для подстраховки.

Если говорить о малой генерации, то даже лучшие образцы автономных ветроэлектростанций могут обеспечить регулярное производство только небольшого количества электроэнергии. К тому же малые ветряные турбины не работают при слишком сильном ветре, а гроза, ураган или снежный буран могут такую турбину повредить. Все это приводит к тому, что если малые ветроэлектростанции и окупаются, то очень долго.

Впрочем, и с «большой» ветряной энергетикой не все так просто. Несмотря на массовое производство, стоимость строительства современной ветряной электростанции велика. При этом ветряные электростанции, как правило, простираются на обширные территории и находятся в отдалении от потребителя, что создает дополнительные расходы на транспортировку энергии. Сохранение избыточной энергии, выработанной ветряными турбинами, также требует дополнительных решений: аккумуляторов или преобразователей в другие виды энергии. То есть для того, чтобы получать «бесплатную» энергию ветра, вначале придется хорошо заплатить, ведь ветряная электростанция отличается высокой начальной стоимостью.

Кроме того, в разных частях Земли в разное время ветер дует по‑разному. При строительстве ветряных электростанций необходимо предварительное исследование и разработка карты ветров, что увеличивает стоимость такой электростанции.

Экологический аспект

Сторонники ветроэлектроэнергии постоянно подчеркивают, что по сравнению с вредным воздействием традиционных энергоисточников воздействие ветроэнергетики на экологию планеты ничтожно. Но риски есть.

Прежде всего, ветряки несут угрозу крылатым существам – птицам и летучим мышам. Некоторые исследователи утверждают, что ветряки принуждают некоторые виды птиц менять пути миграции, а кто не меняет, рискуют погибнуть от лопастей турбин. Например, в США, согласно данным Национальной академии наук этой страны, от них погибает от 20 тыс. до 37 тыс. птиц ежегодно.

Причина гибели летучих мышей сложнее: способность к эхолокации, как правило, позволяет им не попадать на лопасти, но они залетают в область низкого давления, тянущуюся за вращающейся лопастью. От внезапного попадания в почти безвоздушное пространство лопаются капилляры в легких, и зверек гибнет.

Наконец, есть версия, что ветровые электростанции вредят и людям. Так, многие живущие поблизости от них жалуются на постоянный шум. Ветряные турбины действительно создают шум, сравнимый с шумом автомобиля, движущегося со скоростью 70 км / ч, что вызывает дискомфорт для людей и отпугивает животных.

Другая неожиданная особенность ветряных энергоустановок проявилась в том, что они оказались источником достаточно интенсивного инфразвукового шума, неблагоприятно воздействующего на человеческий организм, вызывающего постоянное угнетенное состояние, сильное беспричинное беспокойство и жизненный дискомфорт. Как показал опыт эксплуатации большого числа ветряных установок в США, этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы, покидая район размещения станции, т. е. территории самой ветровой станции и примыкающие к ней становятся непригодными для жизни.

Американский педиатр Нина Пьерпонт утверждает: близость ветроустановок вызывает у некоторых людей мигрень, головокружение, беспокойство, тахикардию, давление в ушах и тошноту, а также ухудшает зрение и даже пищеварение. Она даже выявила так называемый «синдром ветрогенератора» – клиническое наименование ряда симптомов, которые наблюдаются у многих (но не у всех) людей, живущих вблизи промышленных ветровых турбин.

По мнению врача, к проблемам приводит нарушение вестибулярной системы внутреннего уха низкочастотным шумом от турбин ветрогенераторов. Проще говоря, инфразвуком. Низкочастотный шум от турбин стимулирует выработку ложных сигналов в системе внутреннего уха, которые и приводят к головокружению и тошноте, а также к проблемам с памятью, тревожности и панике. Инфра­звук, вследствие большой длины волны, свободно обходит препятствия и может распространяться на большие расстояния без значительных потерь энергии. Поэтому инфра­звук можно рассматривать как фактор, загрязняющий окружающую среду. Таким образом, если ветрогенераторы приводят к выработке инфразвука, то они все же не являются чистым источником энергии, поскольку загрязняют окружающую среду. А отфильтровать инфразвук намного сложнее, чем обычный звук. Устанавливаемые звуковые фильтры не позволяют экранировать его полностью.

Впрочем, «синдром ветрогенератора» не признается официально. Критики Пьерпонт говорят, что написанная ею книга не рецензировалась и была издана самостоятельно, а ее выборка субъектов для исследований слишком мала и не имеет контрольной группы для сравнения. Многие специалисты заявляют, что термин «синдром ветрогенератора» распространяется группами активистов, выступающими против ветропарков. А некоторые исследования объясняют синдром ветрогенератора силой внушения. (Справедливости ради надо заметить, что те же аргументы приводятся в ответ на критику более традиционных видов энергии, например атомной, которым противопоставляется энергия ветра.)

Однако, несмотря на критику синдрома, люди очень часто жалуются на головные боли, бессонницу, звон в ушах, которые связываются с ветрогенераторами. Не зря рядом с ветропарками исчезают животные. Чтобы выявить реальные угрозы, необходимы дополнительные исследования.

Ветрогенераторы ведут мир к апокалипсису?

Есть и еще более серьезные опасения. Согласно некоторым исследованиям, развертывание ветро­энергетики хотя бы до 33 процентов от уровня нынешней мировой электрогенерации приведет к худшим последствиям для климата, чем удвоение содержания углекислого газа в атмосфере. Между тем, по современным научным представлениям, удвоение содержания углекислого газа в атмосфере неизбежно вызовет поистине катастрофические изменения климата и массовое вымирание видов.

Как же ученые пришли к подобным выводам? Дело в том, что каждая ветряная турбина создает прямо за собой «ветряную тень» – область, в которой воздух замедлен в сравнении со своей естественной скоростью в этом районе. Вот отчего ветряки на ВЭС расставляют с существенными «зазорами»: в противном случае слишком близкие соседи снизят эффективность друг друга.

Если бы мы покрыли всю Землю ветряными турбинами, считают исследователи, такая энергосистема «могла бы генерировать огромные количества энергии, намного больше, чем 100 ТВт, но в этой точке, как подсказывает климатическое моделирование, ее влияние на глобальные ветра и, следовательно, климат стало бы очень суровым».

Напомним, что именно ветер «отвечает» в мировой атмосфере за перенос тепла из жарких, тропических частей земного шара в более холодные, высокие широты (и в Россию в том числе). Снижение их скорости, неизбежное при вращении ветряков, ведет к падению интенсивности такого теплопереноса. Словом, теоретически слишком бурное развитие ветроэнергетики может привести к росту средних температур летом и их падению зимой. А значит, к экологической катастрофе планетарных масштабов.

Сложно сказать, правда ли это, однако, на мой взгляд, даже малейшее подозрение в столь негативном воздействии на экологию Земли требует дополнительных исследований. Возможно, мы наблюдаем не рассвет ветряной энергетики, а ее апогей, за которым ветряную энергетику ждут увядание и забвение.

WES против WGS: почему экзом — это не вся история (а иногда и лучше)

В этом выпуске этого месяца мы собираемся более подробно вернуться к теме, которая затрагивалась в этом пространстве раньше, — Это разница между последовательностью всего генома (WGS) и последовательностью всего экзома (WES). На первый взгляд различия просты и очевидны в названиях. WGS предоставляет последовательность геномной (ядерной) ДНК из образца, включая всевозможные некодирующие области, такие как центромеры, теломеры, длинные повторяющиеся участки «мусорной» ДНК и различные нетранскрибируемые контрольные области, которые влияют на активность фактического гены.Для человека полный геном составляет приблизительно 3,3 миллиарда пар оснований, гаплоидный, то есть 6,6 миллиарда пар оснований для захвата всего диплоидного комплемента на клетку. Экзом, напротив, представляет собой просто набор экспрессируемых РНК (включая как кодирующие мРНК, так и некодирующие функциональные РНК, которые могут быть чем угодно, от функциональных рибосомных компонентов рРНК до тРНК, необходимых для экспрессии белков, до таких вещей, как миРНК, важных для сайленсинга генов и посттранскрипционной регуляции). Общий размер экзома человека составляет примерно 30 миллионов пар оснований, или только около одного процента генома.

Секвенирование генома или экзома требует сбора значительного «избытка» данных или «глубины секвенирования». Это делается по двум причинам: первая состоит в том, чтобы повысить точность (одно считывание может искажать конкретную пару оснований, поэтому консенсус нескольких считываний по одному и тому же месту является более точным), а другая заключается в том, чтобы создать считывание полной длины хромосомы из короткие биты требуют «мозаичного» чтения или перекрытия между чтениями, чтобы мы могли генерировать длинные непрерывные последовательности. Поскольку преобладающие технологии секвенирования следующего поколения (NGS) производят отдельные считывания с гораздо меньшей длиной, чем многие транскрипты РНК, тайлинг является таким же требованием для WES, как и для WGS.В целом, хотя есть много нюансов, которые мы не будем вдаваться в подробности, в то время как WGS или WES требует генерации и обработки большого количества данных с помощью биоинформатических конвейеров, WES в первом приближении содержит в 30 раз меньше данных, чем WGS (вас извиняют за то, что вы ожидаете, что это будет 100-кратное, но WGS, как правило, запускается с ~ 30-кратной глубиной, а WES с ~ 100-кратной глубиной, чтобы обеспечить захват редких вариантов; подробнее об этом ниже). Очевидно, что у WES есть одно непосредственное преимущество перед WGS в том, что его быстрее и дешевле получать и анализировать.

Обычно мы думаем о проведении некоторой формы NGS в клиническом контексте как о способе попытаться раскрыть первопричину определенного физического проявления — фенотипа. Мы проигнорируем неудобную реальность, заключающуюся в том, что некоторое фенотипическое поведение возникает из сложных полигенных черт, и для простоты предположим, что в этом гипотетическом примере это простая моногенная менделевская причина. Если оставить в стороне факторы затрат и времени, каковы плюсы и минусы использования WGS или WES для решения этой проблемы?

Сюрприз №1: WGS превосходит WES

по полному покрытию экзонов.

В последовательностях, кодирующих белок, мутации могут в некоторых случаях быть известными как патогенные из других примеров, или они могут быть новыми, но с очевидным воздействием, таким как стоп-кодоны, значительные вставки / делеции или сдвиги рамки считывания.В некоторых случаях даже менее легко интерпретируемые аминокислотные замены могут быть проверены на соответствие известным или предсказанным компьютером белковым структурам с разумной вероятностью обнаружения значительных деструктивных изменений (размещение пролина в середине этой критической α-спирали, вероятно, нехорошо) ! Хотя вы можете подумать, что мутации в кодирующих областях должны быть одинаково наблюдаемы как в подходах WES, так и в WGS, было замечено, что это не совсем так; в частности, последовательности GC-богатых генов, по-видимому, более точно захватываются WGS, чем WES.WGS также лучше оценивается по полноте среди предварительно выбранных панелей генов, относящихся к заболеванию, где WES, как сообщается, пропускает от 0,42% до колоссальных 24,44% экзонных данных, зафиксированных в стратегии WGS без ПЦР. (Более подробно об этих числах см., Например, [1]). Если вашей целью является полное покрытие даже только экзонов, то WGS вытесняет WES.

Значимые мутации могут также происходить вне экзонов, в регуляторных элементах, таких как промоторы транскрипции, энхансеры и супрессоры, тем самым изменяя уровень экспрессии и / или локализацию.Точно так же мутации внутри интронов могут влиять на выбор сайта сплайсинга и приводить к несоответствующей экспрессии конкретных изоформ вариантов сплайсинга гена, который в противном случае экспрессируется на общем подходящем уровне. Поскольку они по самой своей природе встречаются в нетранскрибируемых участках генома (или, по крайней мере, не сохраняются в зрелых транскриптах), можно сразу ожидать, что они будут захвачены в WGS, а не в WES. Строго говоря, это правда; набор данных WGS будет включать все эти типы регионов, но когда мы пытаемся интерпретировать, возникает проблема.Как и в случае с экзонами, в некоторых случаях существуют очень специфические вариации, такие как SNP (однонуклеотидные полиморфизмы) в неэкзонных областях, которые имеют известное фенотипическое влияние (или его отсутствие). По мере того, как базы данных наполняются все большим количеством примеров человеческих геномов с клиническими коррелятами, библиотека известных вариаций становится больше. В настоящее время, однако, по сравнению с размером человеческого генома и частотой, с которой наблюдаются отклонения от эталонных геномов, эта известная библиотека мала, и в большинстве случаев отмеченные отклонения имеют неизвестное влияние.Они даже имеют собственное название «VUS» (варианты неизвестного значения) и создают ряд проблем в клинической практике не только с точки зрения интерпретации, но и с точки зрения этических проблем даже при их раскрытии. В частности, если они раскрыты неспециалистам, они могут вызвать недопонимание (более подробное обсуждение см., Например, в [2]). По некоторым оценкам, каждый из нас имеет в своих геномах около полумиллиона VUS. Итак, хотя данные WGS фиксируют все это, во многих случаях мы не уверены, как интерпретировать то, что у нас есть.

Сюрприз # 2: посмотрите на экзоны, если хотите знать, что происходило вне их

Парадоксально, но лучший способ найти доказательства значимых неэкзонных вариаций — это, вероятно, WES. Верно, мы должны посмотреть на экзоны, чтобы узнать, что произошло в другом месте. Ключевым моментом здесь является помнить, что WES генерируется из кДНК и включает не только отдельные последовательности, но также относительные частоты наблюдений продуктов гена и даже конкретные варианты сплайсинга одного гена.Если (и это серьезное предостережение) библиотека кДНК, используемая для WES, получена из интересующей популяции клеток, это дает снимок не фактических неэкзонных последовательностей, а их значительных эффектов. Например, в случае мутаций, влияющих на чистый уровень экспрессии гена, затронутый ген будет иметь более низкий или более высокий уровень по сравнению с ожидаемым при ссылке на другие гены домашнего хозяйства в образце. Если мутация влияет на что-то более тонкое, например смещение сайта сплайсинга в конкретном гене, относительные уровни изоформ генов будут отклоняться в образце от эквивалентных соотношений изоформ в контрольных образцах.Хотя это не дает нам никакой информации о том, какие мутации являются действительными первопричинами, они игнорируют влияние действительно незначительных вариаций, которые мы иначе классифицировали бы как VUS и не оставили бы никому мудрее.

Итак, что лучше, WGS или WES?

Ответ на этот вопрос зависит от того, что вы ищете, и доступных ресурсов с точки зрения времени, стоимости и инструментов биоинформатики. WES быстро приобрел популярность и остается экономически эффективной стратегией для анализа того, что, вероятно, будет наиболее насыщенным с точки зрения информации набором геномных данных из выборки.Имейте в виду вышеприведенный комментарий о том, что популяции кДНК и полученные из них наборы данных WES в некоторой степени тканеспецифичны. В дополнение к этому они продемонстрировали предвзятость в отношении представления некоторых типов последовательностей и могут не обладать полнотой WGS. Для сравнения, WGS без ПЦР требует больше затрат и усилий, но он более полный по своему охвату и может быть распространен на весь организм (мы будем притворяться, что это место не совсем недавно было посвящено соматическому микрохимеризму в качестве исключения).Если в какой-то момент в будущем у нас будет гораздо больше данных, и VUS уйдут в прошлое, то WGS, вероятно, будет «лучшим» выбором. Однако до того, как это произойдет, и по мере того, как стоимость технологии NGS будет продолжать падать, а простота использования возрастает, мы можем достичь ситуации, когда наиболее полная и интерпретируемая геномная картина будет получена путем захвата как WGS, так и парной WES, относящейся к ткани. Каждый из них дает немного иное представление о геноме, и на самом деле эти две формы данных дополняют друг друга.

ССЫЛКИ

1. Майенберг Дж., Брюггманн Р., Оексле К., Матиас Г. Клиническое секвенирование: WGS лучше WES? Хум Генет . 2016; 135 (3): 359-62.
2. Хоффман-Эндрюс Л. Известное неизвестное: проблемы генетических вариантов неопределенного значения в клинической практике. Дж. Закон Biosci . 2018; 4 (3): 648-65.

Секвенирование экзома: взгляд эксперта

LGB, JCM

Это открытый вопрос. Вполне возможно, что секвенирование экзома с будущими уточнениями и индексацией образцов могло бы остаться значительно дешевле, чем WGS, что было бы предпочтительнее WGS для определенных приложений.Для того чтобы экзомы оставались конкурентоспособными, необходимо значительно снизить стоимость комплектов для захвата экзомов, так как затраты на WGS упадут.

Даже если соотношение разницы затрат уменьшится, в настоящее время 6: 1, даже почти до паритета с точки зрения расходных материалов, может быть лучше продолжить использование WES из-за других затрат, которые часто игнорируются. К ним относятся время прибора секвенирования и вычислительные ресурсы. Здесь соотношение останется примерно 15: 1 в зависимости от машинного времени и результирующего объема данных. Таким образом, если вы можете создать 1000 экзомов, такое же количество секвенирующих машин может произвести только 67 полных геномов.Если вы действительно хотите собрать 1000 образцов с использованием WGS за те же сроки, что и подход WES, вам потребуется в 15 раз больше машин для секвенирования. Это огромные затраты, связанные с капитальными затратами, лабораторными площадями и так далее. После инструментов секвенирования объем данных, сгенерированных для WES, также составляет 1/15 объема по сравнению с WGS; таким образом, сетевая и вычислительная инфраструктура значительно упрощается. Уже одна эта причина может сделать WES привлекательным на многие годы.

Возможно, срок годности наступит, когда любой, кто хочет или нуждается в секвенировании своего генома, сможет отправить буккальный мазок для WGS за 1000 долларов и получить учетную запись облачных вычислений со своей полной последовательностью.Но даже в этом сценарии ежемесячная стоимость учетной записи с WGS по сравнению с WES, если основываться на объеме данных, будет в 15 раз дороже для WGS, чем для набора данных WES.

KVS

Да, как только разница в стоимости между экзомом и целым геномом уменьшится (что скоро произойдет) и будут решены проблемы с управлением и хранением данных, методом выбора будет полногеномное секвенирование. Кроме того, в течение следующих нескольких лет будет происходить быстрое развитие технологии секвенирования, что приведет к способности секвенировать геном с высоким охватом за очень короткий период времени (несколько дней и, возможно, часы).Когда это станет реальностью, спрос на метод секвенирования экзома будет невелик.

Выбор правильного подхода NGS: WGS против WES против целевого секвенирования | Наука

Поскольку стоимость секвенирования следующего поколения (NGS) резко упала, полногеномное секвенирование (WGS) становится все более привлекательным из-за большого количества генетической информации, которую оно раскрывает. Однако проблемы с получением достаточно глубоких чтений и управлением огромным объемом данных остаются.Подходы с целевым обогащением — захват определенных подмножеств генома посредством гибридизации с зондами и последующего выделения и секвенирования — в сочетании с NGS предлагают привлекательные и менее дорогие альтернативы WGS. В приложениях, требующих большей глубины секвенирования, чем это практично с WGS, таких как секвенирование всего экзома (WES) и индивидуализированные панели секвенирования или секвенирования по конкретным заболеваниям, этот тип целевого подхода секвенирования фокусирует внимание на наиболее релевантных областях генома, хотя и сопряжен с риском. отсутствия ключевых вариантов за пределами целевых регионов.В этом веб-семинаре мы исследуем преимущества и недостатки различных методов секвенирования, доступных сегодня, от WGS до WES и целевого секвенирования. Выбор подхода к использованию во многом зависит от задаваемого научного вопроса.

Во время этого вебинара выступят:

• Обсудите относительные плюсы и минусы WGS, WES и целевого секвенирования
• Выделите конкретные ситуации, в которых каждое приложение предлагает лучшее решение для их конкретных потребностей в секвенировании.
• Отвечайте на вопросы зрителей во время прямой трансляции.

Этот вебинар продлится примерно 60 минут.

Динамик bios

Шон Леви, Ph.D.

Discovery Life Sciences
Хантсвилл, AL

Доктор Леви — главный научный сотрудник отдела геномики Discovery Life Sciences в Хантсвилле, Алабама. Он специализируется на разработке и применении геномных и биоинформатических технологий и методов для поддержки научных исследований.Он также является научным сотрудником Института биотехнологии HudsonAlpha в Хантсвилле, дополнительным преподавателем кафедры генетики и эпидемиологии Университета Алабамы в Бирмингеме, а также рецензентом более десятка научных журналов. . Он получил докторскую степень. в области биохимии и закончил постдокторантуру по генетике в 2000 году в Университете Эмори в Атланте, где он создал установку микрочипов в Центре молекулярной медицины Эмори.Перед тем, как присоединиться к Discovery Life Sciences в 2009 году, доктор Леви работал преподавателем в Медицинском центре Университета Вандербильта с назначениями на кафедру молекулярной физиологии и биофизики и кафедру биомедицинской информатики. Он был директором-основателем Vanderbilt Microarray Shared Resource.

Боб Фултон, M.S.

Медицинский факультет Вашингтонского университета
St.Луи, Миссури

Г-н Фултон — доцент генетики Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе и директор по техническому развитию в Институте генома Макдоннелла (MGI). Его роль заключается в разработке и предоставлении технологий и решений на основе последовательностей, предназначенных для ответа на широкий круг критических вопросов, связанных с использованием геномики в клинической и исследовательской среде, на основе его более чем 25-летнего опыта в создании последовательностей ДНК. и анализ.На протяжении всего своего времени в MGI он руководил созданием целевых последовательностей в институте, а также конвейерами по совершенствованию (доводке) последовательностей, отвечающими за уточнение геномных последовательностей. Г-н Фултон имеет степень бакалавра (генная инженерия) и степень магистра Университета Южного Иллинойса в Эдвардсвилле.

Джеки Оберст, доктор философии

Science / AAAS
Вашингтон, округ Колумбия

Доктор.Оберст получила степень бакалавра в Мэрилендском университете в Колледж-Парке и получила степень доктора философии. Доктор биологии опухолей в Джорджтаунском университете, Вашингтон, округ Колумбия.Она объединила свои интересы в области науки и письма, получив степень магистра журналистики в Колледже журналистики Филипа Меррилла в Университете Мэриленда, Колледж-Парк. Д-р Оберст присоединился к Science / AAAS в 2016 году в качестве помощника редактора Custom Publishing. До этого она работала в журнале Nature , Медицинском институте Говарда Хьюза, Эндокринном обществе и Национальном институте психического здоровья.

При поддержке

Учебное пособие по анализу секвенирования всего экзома

Методы секвенирования следующего поколения (NGS) все больше делают возможным крупномасштабный анализ секвенирования ДНК с массовым параллелизмом. В рамках методов NGS секвенирование всего экзома (WES) направлено на секвенирование и обнаружение вариаций в экзонных областях генома.

Хотя методы полногеномного секвенирования (WGS) могут использоваться для выполнения генетической диагностики, в зависимости от типа и сложности заболевания, WES может быть лучшим методом.WES, во-первых, дешевле — у него более низкие затраты на хранение данных и менее трудоемкий последующий анализ данных, чем у WGS. Значительно сокращается объем хранилища данных: для типичного файла WGS требуется 90 ГБ или более по сравнению с 5–6 ГБ для файла WES.

Самым большим преимуществом WGS является то, что он имеет более широкий охват и позволяет обнаруживать больше типов вариантов. Но даже несмотря на то, что только 2% генома соответствует кодирующим областям, здесь картировано около 90% известных вариантов, вызывающих болезни.Таким образом, несмотря на различия в охвате, анализ секвенирования всего экзома сохраняет свой статус экономически эффективной альтернативы секвенированию всего генома.

Подход WES имеет различные применения от точечного варианта до идентификации структурного варианта. В классе точечных мутаций наиболее часто наблюдаются однонуклеотидные варианты (SNV). Общие типы изученных SNV включают синонимичные, бессмысленные, бессмысленные, внутрикадровые мутации, мутации со сдвигом рамки и сайт сплайсинга.Вставки или делеции (инсерции) от 2 до 30 пар оснований — еще один распространенный тип мутации, обнаруживаемый WES. Хотя WGS обычно предпочтительнее для идентификации структурных вариантов, WES также позволяет обнаруживать варианты числа копий (CNV) и другие хромосомные делеции.

Во время последующего анализа идентификация класса мутации имеет сильное влияние на определение клинической значимости варианта. В общем, большинство вариантов, идентифицированных в анализе WES, являются синонимами и, следовательно, не влияют на кодируемый белок, за исключением некоторых конкретных случаев.Точно так же, в зависимости от конструкции набора зондов, WES может также обнаруживать несколько интронных мутаций, которые обычно имеют клиническое значение. Напротив, миссенс-варианты вызывают аминокислотные изменения в белке и могут быть очень информативными в зависимости от механизма заболевания. Нонсенс и мутации сдвига рамки считывания могут иметь резкое влияние на функцию белка, поскольку они вызывают преждевременный стоп-кодон и изменяют рамку считывания ДНК путем вставки или удаления пар оснований соответственно. Более того, внутрикадровые мутации приводят к вставке или удалению пары оснований и, в отличие от мутаций со сдвигом рамки считывания, всегда приводят к триплетным инделениям.

Важным этапом во время WES является обогащение экзонов, при котором кодирующие области захватываются посредством гибридизации ДНК-зондов. Как правило, эти зонды связываются с магнитными шариками, а затем осаждаются и амплифицируются с целевой последовательностью. Доступные коммерческие наборы могут различаться типом зонда и методом захвата, поэтому важно учитывать используемый набор для захвата экзома — неправильный выбор может привести к неравномерному охвату некоторых регионов. Зонды также могут быть сконструированы по индивидуальному заказу в зависимости от целей расследования.С этой целью можно использовать общедоступные базы данных для выбора целевых регионов для усиления. Однако перед созданием зондов для нацеливания на экзоны необходимо учесть некоторые детали; на качество результатов WES могут влиять многие факторы, такие как области, богатые GC, качество фрагмента ДНК, размер вставки и наличие повторяющихся элементов в последовательности.

Высококачественные результаты анализа экзома во многом зависят от того, как обрабатывается набор данных. Таким образом, протоколы анализа данных секвенирования всего экзома включают в себя несколько этапов, таких как контроль качества (QC), предварительная обработка необработанных считываний, отображение коротких считываний, обработка после выравнивания, вызов и аннотация вариантов, а также приоритезация вариантов.Из-за возможного присутствия примесей и артефактов, таких как ошибки секвенирования, низкое качество чтения, адаптеры и дубликаты, появившиеся в процессе секвенирования, показатели контроля качества оценивают качество данных путем создания основных статистических показателей, касающихся глубины, охвата, идентификации адаптера последовательности , Содержание GC и базовое распределение. Пайплайны Basepair осуществляют контроль качества с помощью инструмента fastp.

Поскольку в необработанных данных присутствуют артефакты, настоятельно рекомендуются этапы предварительной обработки чтения, такие как обрезка, фильтрация или отсечение адаптера, чтобы избежать смещений сопоставления на этапе выравнивания чтения.Для сопоставления считываний с эталонным геномом Basepair поддерживает два ведущих инструмента: Bowtie и BWA. Оба выполняют сопоставление на основе ссылок. Здесь оцениваются критические показатели QC, такие как глубина и охват областей генома. После этого этапы обработки после выравнивания удаляют многократно отображенные и дублированные считывания, чтобы минимизировать аллельные смещения во время этапа вызова варианта.

На этапе вызова варианта вычисляется вероятность того, что генетический вариант действительно присутствует в анализируемой выборке. Один из самых популярных программных пакетов для вариантного обзвона — GATK.Чтобы избежать ложноположительных вызовов SNP, важно установить правильные параметры, такие как максимальная глубина чтения для каждой позиции, минимальное количество считываний с пропусками и пересчет базового качества выравнивания для улучшения вызываемого базового качества. Кроме того, аннотация вариантов направлена ​​на интеграцию соответствующей информации о каждом вызываемом варианте. Здесь программное обеспечение, такое как SnpEff / SnpSift и VEP, помогает аннотировать типы вариантов, их влияние на гены (например, изменения в аминокислотах), влияние и частоту встречаемости в человеческих популяциях (например,г. используя базу данных DbSNP). Эта информация имеет решающее значение для выполнения последующей фильтрации и определения приоритетов в анализе секвенирования экзома.

Сотни и тысячи вариантов потенциально могут быть получены путем секвенирования экзома. Здесь очень сложно сократить пространство поиска причинных вариантов. В целом, пользователи могут сортировать найденные варианты по эффекту, влиянию мутаций и зиготности. Могут быть полезны более сложные статистические тесты, хотя они обычно требуют значительного размера выборки.В качестве альтернативы прямой фильтрации данных, используя данные WES, пользователи могут выполнять полногеномные ассоциативные исследования (GWAS), подходы на основе фенотипа или генотипа, ген-специфический анализ и семейные исследования в зависимости от дизайна экспериментального исследования.

Узнайте больше о конвейерах секвенирования всего экзома Basepair на нашей странице продукта.

Список литературы

1. Хинтше, Дженнифер Д., Уильям А. Робинсон и Айк Чун Тан. 2016. «Обзор вычислительных инструментов для анализа и интерпретации данных секвенирования всего экзома.”Международный журнал геномики и протеомики, 2016 г. (декабрь): 7983236.

2. Пабинджер, Стефан, Андреас Дандер, Мария Фишер, Рене Снайдер, Майкл Сперк, Мирьяна Ефремова, Биргит Крабихлер, Майкл Р. Спайхер, Йоханнес Зшоке и Златко Траяноски. 2014. «Обзор инструментов для анализа вариантов данных секвенирования генома следующего поколения». Брифинги по биоинформатике 15 (2): 256–78.

3. Реттерер, Кайл, Джейн Юусола, Меган Т. Чо, Патрик Витацка, Франциска Миллан, Федерика Гибеллини, Аннет Вертино-Белл и другие.2016. «Клиническое применение секвенирования всего экзома по клиническим показаниям». Генетика в медицине: Официальный журнал Американского колледжа медицинской генетики 18 (7): 696–704.

4. Сувински, Павел, Чуангки Онг, Морис Х. Т. Линг, Ян Мин По, Асиф М. Хан и Хуэй Сан Онг. 2019. «Продвижение персонализированной медицины с помощью секвенирования всего экзома и аналитики больших данных». Frontiers in Genetics 10 (февраль): 49.

6 фактов, которые вы могли не знать о секвенировании всего экзома

Выбор подходящей панели для пациента может быть трудным.«Не каждый пациент вписывается в четкую фенотипическую коробку или соответствует диагностическим критериям определенного генетического состояния. WES устраняет проблему поиска единой правильной панели или необходимости создания настраиваемой панели для вашего пациента, поскольку все гены, кодирующие белок, охватываются одним единственным тестом », — пояснила старший генетик Дженнифер Шлейт .

Секвенирование всего экзома (WES) часто выбирают для пациентов со сложными фенотипами, влияющими на многие органы или системы организма, когда подозревается более одного расстройства, когда предыдущее генетическое тестирование не дало информативных результатов или когда подозреваемое генетическое заболевание может не иметь доступен специальный тест.«Однако есть много важных факторов, которые следует учитывать при выборе теста на весь экзом для вашего пациента», — сказал Шлейт.

№1. Существует большая разница между охватом 99% и охватом 97%

Какая часть экзома фактически секвенируется? Технология WES появилась сравнительно недавно, и пока еще невозможно захватить и секвенировать 100% экзома с высоким качеством.

«В среднем мы захватываем и секвенируем> 99,4% экзома с качеством, обеспечивающим надежные вызовы вариантов.Охват также относится к тому, сколько раз каждый нуклеотид секвенируется. Иногда это называют глубиной секвенирования, и в идеале минимальная глубина составляет порядка 20х », — говорит Шлейт. Средняя глубина секвенирования не указывает, какая часть областей кодирования покрыта, поэтому важно иметь как хорошую глубину секвенирования, так и хорошее равномерное покрытие.

Небольшие различия в процентном охвате могут показаться несущественными; однако они приводят к большим различиям на уровне последовательностей, и диагностическое воздействие может быть значительным.

«Разница между охватом 99% и охватом 97% может означать, что сотни генов и тысячи экзонов не охвачены оптимальным образом. Эти различия в охвате особенно важны, когда речь идет о генах с трудностями для секвенирования, таких как PKD1, , связанные с поликистозом почек, и RPGR, , связанные с пигментным Х-сцепленным ретинитом », — пояснил Шлейт.

«Мы упорно трудились, чтобы получить максимальный охват с помощью индивидуальных решений по секвенированию сложных для секвенирования генов, таких как PKD1 , RPGR и SMN1 / SMN2 , и мы представим валидационное исследование для улучшения охвата PKD1 по адресу ACMG 2019 в Сиэтле и RPGR на ARVO 2019 в Ванкувере.”

Наконечник. Почему показатели качества имеют значение и что они на самом деле означают? Подробнее об этих показателях читайте в нашем руководстве по качеству.

№2. Известные болезнетворные варианты глубоких интронов не включены в каждый экзом

Важно помнить, что гены состоят не только из экзонов; примерно 15% вариантов, вызывающих заболевание, находятся внутри интронов. Многие из них происходят на границе экзон-интрон.Однако появляется все больше информации о клинической значимости глубоко интронных некодирующих вариантов. Шлейт привел пример.

«Мы проанализировали пациента с подозрением на наследственный иммунодефицит. Предыдущее генетическое тестирование было отрицательным. С помощью всего нашего теста экзома мы идентифицировали гемизиготный, вероятный патогенный вариант в промоторной области. Этот вариант был бы пропущен с помощью готового набора для захвата только экзонов », — сказал Шлейт.

«Мы надеемся получить более полную статистику на основе наших внутренних данных о том, какое влияние глубокие интронные варианты оказали на показатель успешности диагностики.На данный момент мы считаем, что их важность, вероятно, все еще недооценивается в этой области », — продолжил Шлейт.

№3. Обнаружение CNV с высоким разрешением — мощный диагностический инструмент

Обнаружение CNV (вариаций числа копий) — относительно недавняя возможность на платформах NGS, но это важный компонент высококачественного анализа экзома. CNV — важный механизм заболевания, который следует оценивать у всех пациентов с подозрением на наследственное заболевание.

«В июне 2018 года Трут и др. провели по этому поводу действительно хорошее исследование.Они рассмотрели 143 000 человек, прошедших генетическое тестирование. Патогенный или вероятный патогенный CNV был обнаружен почти у 10% людей, что, несомненно, является клинически значимым результатом », — подчеркнул Шлейт.

«Диагноз также ставится на основании небольших удалений и дубликатов. В зависимости от клинической специализации CNV могут составлять значительную часть выявленных вариантов, вызывающих заболевание. Truty et al. также обнаружили, что в некоторых клинических областях на CNV приходилось до 35% идентифицированных патогенных вариантов.”

№4. Подход, основанный на фенотипе, означает, что некоторые гены и, следовательно, варианты отфильтровываются еще до начала анализа

Важно иметь высококачественные данные секвенирования, но также важно то, как эти данные анализируются. Подход, ориентированный на генотип, гарантирует, что варианты, вызывающие болезнь, не будут исключены из анализа, основываясь только на нашем текущем понимании генов и фенотипов, которые они вызывают.

Подход, основанный на генотипе, позволяет идентифицировать атипичные проявления известных заболеваний, диагнозы во вновь установленных генах или даже генах-кандидатах.Он может быть особенно сильным у новорожденных и маленьких детей, когда фенотип может быть неполным.

«Опять же, приоритет генотипа полезен для тех пациентов, которые не вписываются в рамки определенного фенотипа или диагностических критериев для определенного состояния. Однако использование подхода, ориентированного на генотип, не отменяет важности наличия точной и подробной клинической информации для поддержки высококачественной интерпретации данных », — сказал Шлейт.

Подробнее: Как клиническая информация влияет на успешную генетическую диагностику

№5.Включение генов-кандидатов может привести к постановке диагноза для вашего пациента

В случаях, когда известные гены болезни отрицательны в отношении патогенных и вероятных патогенных вариантов или когда объясняется только часть фенотипа, может быть полезно также проанализировать и сообщить о вариантах-кандидатах в генах, которые еще не известны как связанные с заболеванием.

«В прошлом году я работал над экзомом серьезно пострадавшего 3-месячного пациента, родившегося недоношенным, с респираторной недостаточностью, вероятной дисплазией скелета и возможным сколиозом, а также с семейным анамнезом небольшого роста.Мы идентифицировали вероятный патогенный вариант в гене SHOX , но он, похоже, не объяснял весь фенотип. Итак, мы продолжили изучать данные экзома и идентифицировали гомозиготный бессмысленный вариант в SLC10A7 . Этот вариант привлек наше внимание, поскольку предсказано, что он полностью устраняет экспрессию SLC10A7 , а люди с гомозиготной потерей функциональных вариантов не присутствуют в контрольных популяциях », — описал Шлейт.

По словам Шлейта, этот вариант не был зарегистрирован в базах данных населения, и в то время поиск в PubMed дал отрицательный результат.Предварительная публикация Ашикова и др. (2018) была идентифицирована с помощью другой поисковой системы и фактически сообщала о небольшой серии пациентов с вариантами этого гена и тем же фенотипом.

«Использование подхода, основанного на генотипе, позволило нам идентифицировать очень подозрительный вариант для дальнейшего исследования», — заключает Шлейт, отмечая, что вскоре после этого появились дополнительные доказательства, подтверждающие связь гена с заболеванием (Dubail et al 2018).

№6. WES сокращает время от постановки диагноза до постановки диагноза, снижает стоимость диагностики и увеличивает диагностическую ценность

Недавние публикации показали, что WES может сократить время и стоимость диагностики.Проспективное исследование Vissers et al (2017) показало, что WES выявляет значительно более высокие убедительные диагнозы (29,3%), чем стандартные методы лечения (7,3%), без более высоких затрат.

В настоящее время WES также обеспечивает лучшее соотношение затрат на диагностику, чем секвенирование всего генома (WGS). Недавно Alfares и др. (2018) изучили 108 пациентов с отрицательным исходным WES и arrayCGH с помощью WGS и обнаружили новый генетический диагноз у 9,3% (10/108) пациентов. Три из первоначально пропущенных диагноза уже присутствовали в исходных данных WES с приличным охватом, но остались незамеченными, поэтому их можно было обнаружить с помощью простого повторного анализа WES.WGS смог достичь только 7% более высокого уровня обнаружения, чем их стандартный WES.

«Существует небольшой разрыв между нашими WES и WGS, поскольку наш индивидуальный анализ WES включает> 1500 клинически значимых некодирующих областей и обеспечивает высококачественное обнаружение CNV. Мы проанализировали все варианты, пропущенные анализом WES в их исследовании, и обнаружили, что наш настроенный WES обнаружил бы все из них, включая расширение аланиновых повторов PHOX2B (25/20), делецию TPM3 (5 экзонов), и глубокий интронный вариант в TSC2, — сказал Шлейт.

Это означает, что настроенный WES может обеспечить такую ​​же клиническую чувствительность, как и WGS, в клинической когорте. Вывод: повторный анализ старых данных WES — разумный первый шаг.

> Подробнее о секвенировании всего экзома

Артикул:

Truty, R., Paul, J., Kennemer, M.

et al. . Распространенность и особенности внутригенной изменчивости числа копий в генах менделевской болезни. Genet Med 21, 114–123 (2019). https: // doi.org / 10.1038 / s41436-018-0033-5

Dubail, J., Huber, C., Chantepie, S.

et al. SLC10A7 Мутации вызывают дисплазию скелета с несовершенным амелогенезом, опосредованную дефектами биосинтеза GAG. Нац Коммуна 9, 3087 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-05191-8

Виссерс, Л., ван Нимвеген, К., Шивинг, Дж.

и др. . Исследование клинической применимости секвенирования экзома по сравнению с обычным генетическим тестированием в детской неврологии. Genet Med 19, 1055–1063 (2017). https://doi.org/10.1038/gim.2017.1

Alfares, A., Aloraini, T., subaie, L.

и др. . Секвенирование всего генома предлагает дополнительную, но ограниченную клиническую применимость по сравнению с повторным анализом секвенирования всего экзома. Genet Med 20, 1328–1333 (2018). https://doi.org/10.1038/gim.2018.41

границ | Клиническая полезность секвенирования всего экзома и целевых панелей для выявления врожденных ошибок иммунитета в условиях ограниченных ресурсов

Введение

Первичные иммунодефицитные расстройства (ВЗОМТ) представляют собой группу генетически гетерогенных врожденных ошибок иммунитета (IEI), которые приводят к к предрасположенности к развитию аутоиммунных и воспалительных заболеваний, лимфопролиферации и инфекции (1–5).По отдельности ИЭИ редки, но в совокупности представляют собой значительное бремя болезни (4, 6). Недавно было подсчитано, что около миллиона человек в Африке страдают от IEI, при этом в Южной Африке приходится около 42000 случаев (7). Однако вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), туберкулез (ТБ) и другие инфекционные эпидемии в странах Африки к югу от Сахары, ограниченная клиническая и лабораторная инфраструктура для IEI, а также недостаточная осведомленность об IEI в этих условиях были серьезными препятствиями для диагностики и лечение (7–10).

Диагностическое обследование с подозрением на ИЭИ переходит от только подробных клинических обследований пациента к ряду лабораторных тестов, которые могут включать целевой скрининг генов и иммунологические анализы. Учитывая, что большинство IEI являются моногенными, генетическое тестирование стало важным методом для постановки точного и окончательного диагноза, изменения лечения и помощи в генетическом консультировании (11–13). При этом идентификация ассоциированного с заболеванием варианта в подозреваемом случае ИЭИ может быть сложной задачей, поскольку во многих случаях не выявлен ни один причинный вариант, и сообщается о больших вариациях генотип-фенотип (14–16).

Идентификация генов и генетических вариантов, связанных с IEI, увеличилась экспоненциально: Международный союз иммунологических обществ (IUIS) в настоящее время сообщает о 406 различных заболеваниях с 430 генетическими дефектами (6). В период с 2015 по 2017 год всего 85 новых генов были связаны с IEI (17). Это увеличение в значительной степени было вызвано использованием секвенирования следующего поколения (NGS), в частности секвенирования всего генома (WGS), секвенирования всего экзома (WES) и более ограниченного секвенирования целевой генной панели (17).WES включает исследование всех кодирующих белок областей генома человека (экзома), что позволяет идентифицировать около 85% всех мутаций, связанных с заболеванием (18). Панели генов NGS являются более целенаправленными и анализируют только известные гены, связанные с заболеванием, для конкретных заболеваний. Преимущества панелей перед WES или WGS включают более низкую стоимость, более простой анализ и оптимизацию обнаружения вариантов во включенных генах. К недостаткам можно отнести невозможность анализа или повторного анализа генов, не включенных в панель (19).

В настоящее время генные панели NGS являются основными диагностическими инструментами в клинических условиях, тогда как WES и WGS могут быть вариантами тестирования второй линии. В Южной Африке WES и WGS в основном остаются инструментами исследований из-за их стоимости и сложности интерпретации данных. Факторы, ограничивающие их предоставление клинических услуг в качестве диагностических / клинических тестов, заключаются в том, что они должны иметь приемлемую аналитическую и клиническую валидность и клиническую полезность (20), должны соответствовать строгим стандартам обеспечения качества и должны обеспечивать быстрое время выполнения работ для достижения этических результатов тестирования. (20).В развивающейся стране клиническое геномное тестирование остается серьезной логистической проблемой с небольшими объемами образцов от пациентов с редкими генетическими заболеваниями, что оставляет их менее приоритетными.

В интересах ухода за пациентами больница Tygerberg с 2017 года получает клинические геномные тесты от конкретных международных поставщиков геномных тестов и дополнила их основанными на исследованиях WES / WGS бесплатно для пациента. На сегодняшний день заказано более 730 диагностических панелей во всех клинических областях, из которых 28 назначены пациентам с подозрением на ИЭН.WES была проведена на ДНК 54 пациентов, двое из которых ранее прошли панельное тестирование NGS.

Польза от использования NGS у пациентов с подозрением на ИЭН была продемонстрирована в многочисленных международных исследованиях (11, 16, 21–23) и, вероятно, будет полезна для африканских пациентов. Однако вполне вероятно, что патогенные варианты и, возможно, даже гены, могут отличаться в африканской популяции по сравнению с более интенсивно изученными популяциями. Таким образом, возникла необходимость оценить клиническую применимость тестирования генов и / или WES в южноафриканской когорте.Мы сообщаем о молекулярных результатах, диагнозах и изменениях в клиническом ведении пациентов с подозрением на ИЭИ, протестированных в государственной системе здравоохранения Южной Африки.

Материалы и методы

Пациенты

В исследование включены 80 пациентов и 107 членов их семей, привлеченных за 8-летний период (2013-2020 гг.). Большинство пациентов получали или в настоящее время получают медицинскую помощь в больнице Тайгерберг, государственной академической больнице, расположенной в Кейптауне, которая предоставляет услуги третичного уровня населению почти 3 миллионов человек в провинции Западный Кейп в Южной Африке.Служба иммунологии также получает направления из дальних стран Южной и Южной Африки. Три пациента, включенные в это исследование, получают медицинскую помощь в частном секторе здравоохранения, а один — в системе здравоохранения штата Гаутенг. Данные этих пациентов были включены в это исследование, поскольку семьи либо обращались за помощью к одному из специалистов по иммунологии или генетическому здоровью, работающему в больнице Тайгерберг, либо прошли генетическое тестирование через эту систему.

WES было выполнено на собственном предприятии на образцах ДНК 54 пациентов.Пациентами, набранными для WES, были дети в возрасте от 0 до 15 лет, у которых в анамнезе был тяжелый, необычный, стойкий и / или рецидивирующий туберкулез или у которых было подозрение на менделевскую восприимчивость к микобактериальным заболеваниям (MSMD). В зависимости от доступных членов семьи был проведен геномный анализ трио (пациент и оба родителя), дуэта (пациент и один родитель) или одного человека. Следует отметить, что не все 107 набранных членов семьи были подвергнуты WES или геномному анализу из-за отсутствия бюджета или ДНК, которая не соответствовала качественным показателям для секвенирования.

Диагностическое тестирование NGS стало доступно в 2017 году через внешнего провайдера, и было проведено 28 тестов генной панели. Пациентам, у которых предполагалось наличие любого из широкого диапазона ИЭИ, предлагалось провести панельное тестирование генов. Это было сделано после клинической и иммунологической оценки ревматологом / клиническим иммунологом и оценки семейного анамнеза генетическим консультантом. Бюджет больницы Тайгерберга профинансировал панельное тестирование 22 из 28 пациентов, и оно было проведено через Invitae Corporation (Сан-Франциско, Калифорния, США).Выбор группы был основан на клиническом фенотипе и представлении пациента, при этом количество генов, доступных для включения, со временем увеличивалось с 207 до 407 генов. В январе 2019 года в рамках пилотной спонсируемой программы для пациентов сети центров Джеффри Моделла (JMCN) в сотрудничестве с Invitae Laboratories был бесплатно предоставлен ряд диагностических генетических панельных тестов IEI. Это позволило получить доступ к панели генов из 207 для 6 пациентов, которые не имели права проходить тесты в больнице и сами не могли позволить себе их стоимость (2, 4, 17).Для пациентов, прошедших панельные тесты NGS, было проведено тестирование членов семьи, если это необходимо для разрешения вариантов с неопределенной значимостью (VUS) или для тестирования носительства родственников.

Генные панели NGS вскоре стали геномным диагностическим тестом первой линии, в котором пациенты имели отрицательный результат панели или атипичный клинический фенотип, а затем получали WES, если позволял бюджет исследования. Два пациента прошли как панельное тестирование, так и последующее тестирование WES.

Панельное тестирование

Слюну собирали у каждого пациента в наборах слюны, предоставленных Invitae.Слюну собирали и хранили в наборах для сбора слюны с помощью Oragene ™ (DNA Genotek, Оттава, Онтарио, Канада) (OG575 / ODG575), специально для маленьких детей или пациентов, у которых активное донорство слюны может быть затруднено. В один набор собирали две пробирки для слюны общим объемом 0,75 мл слюны. Затем слюну хранили при комнатной температуре и отправили в Invitae для секвенирования и анализа 207 генов, которые, как было установлено, связаны с IEI. Геномная ДНК, полученная из представленных образцов, была обогащена целевыми областями с использованием протокола на основе гибридизации и секвенирована с использованием технологии Illumina.Все целевые области были секвенированы с глубиной ≥50x или, в случаях, когда она оказывается ниже принятого диапазона, дополняются дополнительным анализом. Считанные данные были сопоставлены с эталонной последовательностью hg19 (GRCh47). Промоторы, нетранслируемые области и другие некодирующие области не опрашивались. Более подробную информацию об анализах Invitae можно найти здесь: (https://www.invitae.com/en/assay/).

Секвенирование всего экзома

ДНК была выделена из цельной крови набранных пациентов и, по возможности, их родителей и дополнительных членов семьи с использованием стандартных протоколов.Всего было набрано 5 мл крови в пробирки для забора крови BD Vacutainer ^→ EDTA (Becton, Dickinson and Company, Franklin Lakes, Нью-Джерси, США). ДНК экстрагировали с использованием набора для экстракции ДНК Macherey-Nagel NucleoSpin XL (GmbH & Co. KG, Düren, Германия). Подготовка библиотеки проводилась с использованием набора Ion AmpliSeq ™ Exome RDY Kit и набора адаптеров штрих-кода Ion Xpress ™ 1–16 (Life Technologies, Карлсбад, Калифорния, США). Матрица ДНК была приготовлена ​​в системе Ion Chef с использованием наборов Ion PI ™ Hi-Q ™ Chef Kit и Ion PI ™ Chip Kit v3.Секвенирование проводили в Центральном аналитическом центре (CAF) Стелленбошского университета, Стелленбош, Южная Африка, с использованием Ion Proton ™ (Thermo Fisher, Карлсбад, Калифорния, США). Среднее покрытие WES было 30X по всему экзому.

Вызов варианта: Последовательности были сопоставлены с эталонным геномом человека, GRCh47, с использованием TMA (версия 5.2.1) в рабочем процессе ионного анализа в Torrent Suite (версия 5.2.1). Плагин Variant Caller (версия 5.2.1.1) в наборе Torrent использовался для повторной калибровки базовой оценки качества, независимой перестройки и вызова вариантов, а также были созданы файлы вариантов, называемых форматом (VCF).Аннотации вариантов были выполнены с использованием ANNOVAR (5), а приоритезация вариантов была проведена с использованием специально разработанного внутреннего метода TAPER ™ (21).

Секвенирование по Сэнгеру: Все варианты-кандидаты, идентифицированные с помощью WES, были проверены с использованием секвенирования по Сэнгеру. Каждый ампликон был двунаправленно секвенирован с использованием набора для циклического секвенирования BigDye ^® Terminator v3.1 (Perkin-Elmer, Applied Biosystems Inc., Фостер-Сити, Калифорния, США) с последующим электрофорезом на генетическом анализаторе ABI 3130XL (Perkin -Элмер, Applied Biosystems Inc., Фостер-Сити, Калифорния, США). Все реакции автоматического секвенирования ДНК были выполнены в Центральном аналитическом центре (CAF) в Стелленбошском университете, Стелленбош, Южная Африка.

Интерпретация вариантов : все варианты, обнаруженные при тестировании NGS, были строго подвергнуты критериям классификации вариантов Американского колледжа медицинской генетики и геномики (ACMG-AMP) для установления патогенности (24). О вариантах, которые были классифицированы как доброкачественные или вероятные доброкачественные, в этом исследовании не сообщалось.Были включены варианты, классифицированные как неопределенные, вероятные патогенные и патогенные (LP / P).

Подтверждение диагноза и отчет: Молекулярный диагноз на основе WES был поставлен пациенту, когда вариант LP / P был обнаружен в гене, связанном с фенотипом, в соответствии с известными моделями наследования, связанными с этим геном, и подтверждено секвенированием по Сэнгеру. В этих случаях лечащему врачу составлялся отчет, который был объяснен пациенту и членам его семьи генетическим консультантом.

Этика и институциональные одобрения

Панели генов NGS были выполнены в рамках клинического диагностического исследования пациентов с подозрением на широкий спектр ИЭИ. Тестам предшествовало генетическое консультирование и требовалось информированное согласие. WES проводился как часть двух исследований, направленных на идентификацию генов и вариантов, связанных с определенной подгруппой IEI, известных MSMD.

Исследования WES были одобрены Комитетом по этике медицинских исследований Стелленбошского университета (номера исследований: N13 / 05/075 и N13 / 05/075 (A) и проведены отделом молекулярной биологии и генетики человека Медицинского факультета и Медицинские науки, Стелленбошский университет.Пациенты, включенные в эти исследования, — это дети в возрасте от 0 до 15 лет с клиническим подозрением на МСМД. Такие пациенты были идентифицированы как Национальной лабораторной службой здравоохранения, так и Центром туберкулеза Десмонда Туту и ​​приняты на работу клиническим иммунологом и клиническим генетиком в больнице Тайгерберг. Письменное и информированное согласие было получено от родителей или законных опекунов подходящих пациентов. Детей этого возраста также попросили дать согласие на участие в исследовании. Исследования проводились в соответствии с этическими принципами, изложенными в «Хельсинкской декларации 2013 года» (16).

Результаты

Это исследование включало в общей сложности 80 пациентов. Демографические данные пациентов можно найти в таблице 1.

Таблица 1 Демографические данные пациентов.

Молекулярный результат, который объяснил весь или часть фенотипа пациента, был получен в 24/80 (30%) случаях с использованием панели и / или WES. Из пациентов, прошедших только панельное тестирование, диагноз был поставлен 12/26 (46%). Среди пациентов, у которых был только WES, 12/52 (23%) имели подтвержденный молекулярный диагноз. Из двух пациентов, у которых были и панель, и WES, молекулярный диагноз, который подтвердил часть фенотипа, был поставлен WES у одного.В общей сложности 35/80 (44%) пациентов имели неопределенные результаты, а у 21/80 (26,2%) пациентов не было идентифицировано представляющих интерес вариантов.

Генетический спектр и клиническое значение молекулярных открытий

У 24 пробандов с подтвержденным молекулярным результатом 24 различных варианта LP / P были идентифицированы в 19 генах, которые, как известно, связаны с IEI. Клиническую и молекулярную информацию для каждого пробанда можно найти в Таблице 2. У 22 пробандов с неопределенным результатом VUS, идентифицированные с помощью WES, будут подвергнуты дальнейшему исследованию с использованием функциональных исследований, семейных исследований (где возможно) и последующего наблюдения для повторного анализа. классификации вариантов с течением времени.Это связано с тем, что они были идентифицированы как потенциально вызывающие фенотип пациентов, но в настоящее время не соответствуют критериям классификации ACMG-AMP, чтобы их можно было классифицировать как вероятные патогенные или патогенные (информация в дополнительной таблице 1) (24).

Таблица 2 Клиническая картина пациентов с генами с патогенными / вероятными патогенными вариантами.

У 24 пробандов с подтвержденным молекулярным диагнозом тип наследования был аутосомно-рецессивным в 10/24 (41,2%) случаях; Х-сцепленный рецессивный в 8/24 (33,3%) случаях и аутосомно-доминантный ( de novo или вследствие мозаицизма зародышевой линии) в 6/24 (25%) случаях.Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3 Сводка результатов тестирования пробандов и членов их семей.

Молекулярная диагностика изменила тактику у 67% (12/18) живых пациентов. Тактика лечения могла быть изменена в 29,1% (7/24) случаев с молекулярным диагнозом, если бы направление и диагноз были сделаны раньше и пациенты не умерли. Наличие молекулярного диагноза также позволило провести семейное каскадное тестирование, выявив 19 семей с риском рождения другого ребенка с ИЭИ.

Обсуждение

NGS становится золотым стандартом для подтверждения диагнозов у ​​пациентов с подозрением на ИЭН (12, 15), а наши показатели выявления сравнимы с другими опубликованными исследованиями (14, 16). В этом исследовании подчеркивается несколько важных аспектов клинической полезности тестирования NGS у пациентов с ИЭИ, даже в условиях, когда медицинские услуги значительно ограничены в ресурсах, а большинство пациентов принадлежат к коренным африканским популяциям (группы населения, которые считаются недостаточно изученными в генетических исследованиях) ( 25).

Наши результаты показывают, что тестирование NGS позволило поставить окончательный диагноз у 30% (24/80) протестированных пациентов. Три из этих диагнозов были поставлены после смерти пациента и четыре умерли вскоре после того, как был поставлен диагноз. У 67% из 18 живых пациентов молекулярный диагноз позволил существенно изменить тактику ведения, что в долгосрочной перспективе может снизить заболеваемость, смертность и затраты на лечение. Значительные изменения в управлении состоянием здоровья включали двух пациентов, успешно прошедших ТГСК, и еще трех пациентов, которым была назначена ТГСК в качестве варианта лечения.В настоящее время известно, что у некоторых пациентов есть риск злокачественного новообразования, связанный с различными вариантами, и для этого был проведен скрининг. Окончательный диагноз также позволил получить доступ к различным другим клиническим обследованиям для некоторых, таких как аудиологический, эндокринологический и гематологический скрининг, а также специализированный офтальмологический скрининг (например, на глаукому и увеит). Известно, что различные диагностированные PIDD получают пользу от антибиотикопрофилактики, основанной на рисках бактериальной инфекции, и соответствующие пациенты теперь будут получать ее либо хронически, либо периодически.Диагностика также помогла выявить пациентов, которым необходимо избегать применения живых вакцин из-за известных рисков распространения. Один пациент сейчас находится под наблюдением в качестве кандидата на трансплантацию органа (печени) в зрелом возрасте. Остальные живые пациенты с подтвержденным генетическим диагнозом в основном продолжали лечение, назначенное до молекулярной диагностики. Однако наличие подтвержденного генетического результата позволяет им потенциально иметь право на лечебное лечение, такое как генная терапия в будущем.

Всего 5 пациентов с опасными для жизни ИЭИ в этой когорте умерли до получения ТГСК в качестве лечебной терапии, что подчеркивает необходимость быстрой диагностики ИЭИ. Этот вопрос срочно требует повышения осведомленности о ВЗОМТ среди практикующих врачей и последующего безотлагательного направления в клиническую иммунологию и генетические службы. Это также требует раннего использования NGS-тестирования как части ухода за пациентами, где это возможно, в форме клинических / диагностических тестов (в отличие от набора для исследования).В наших услугах эти трудности со временем улучшаются по мере того, как растет осведомленность о доступности подходящего тестирования NGS, и оно становится более понятным. Эти улучшения отчасти стали результатом активной программы молекулярно-генетических исследований в области ИЭИ. Кроме того, больница Tygerberg Hospital принимает участие в клинически целесообразном использовании клинических / диагностических тестов NGS для диагностики редких заболеваний, но в настоящее время это не так на национальном уровне, и остается острая необходимость в национальной политике в отношении NGS. диагностическое обследование на редкие заболевания.

Положительным результатом для всех семей с умершими или живыми пробандами является то, что молекулярные результаты позволили провести точное генетическое консультирование по поводу диагноза и прогноза и позволили оказать психологическую поддержку. Подтвержденные результаты позволили родителям и заинтересованным членам расширенной семьи пройти тестирование на носительство, чтобы лучше понять риски рецидива. Важное значение для тестирования в условиях ограниченных ресурсов имеет то, что семейное каскадное тестирование для пробандов, получивших положительный молекулярный результат на панели Invitae, является бесплатным.

В этой когорте семейное тестирование позволило 19 группам родителей узнать свой статус носительства и, следовательно, потенциальные репродуктивные риски. Для 11 групп родителей, которые являются доказанными или предполагаемыми обязательными носителями аутосомно-рецессивного состояния, риск иметь еще одного больного ребенка составляет 25% для каждой беременности. 8 матерей, которые были подтверждены как носители Х-сцепленного ИЭИ, могли быть проинформированы о 50% вероятности того, что сыновья будут поражены, а дочери будут носителями. Одна тетя по материнской линии пробанда с Х-сцепленным ИЭИ была исключена как носитель.Все аутосомно-доминантные состояния в этой когорте были de novo с низким риском рецидива для будущих беременностей (поскольку нельзя исключить мозаицизм зародышевой линии) и отсутствием риска для членов расширенной семьи. Хотя это не относится к этой когорте, геномное тестирование для выявления бессимптомных пациентов играет важную клиническую роль в обеспечении ранней диагностики, позволяющей проводить скрининг и профилактические меры для улучшения результатов в отношении здоровья (13, 22, 26, 27).

Знание статуса носителя обеспечивает доступ к пренатальной диагностике (PND) с возможностью прерывания затронутой беременности или подготовки к рождению пострадавшего ребенка, и в этом случае это способствует оптимальному ведению новорожденных (например,г. избегать живых прививок; гаплотипирование донора ТГСК) (28, 29). Хотя данные не представлены, нам известно, что несколько членов семьи получили PND при последующих беременностях. Еще одним соображением является возможность предимплантационной генетической диагностики (ПГД) для предотвращения перенесенной беременности, но, к сожалению, она недоступна в государственном секторе здравоохранения Южной Африки. Доступ к PGD должен осуществляться в частном порядке и требует значительных финансовых средств.

Даже с подходами, основанными на NGS, резко улучшающими диагнозы IEI, уровень выявления остается ниже 50% (14–16).Предлагаемые причины включают ИЭИ со сложным типом наследования, ограничения определенных геномных технологий и случаи, вызванные генами и вариантами, которые еще не обнаружены или не поняты (5, 14–16, 19). Наши результаты показали то же самое с уровнем обнаружения 30%. В родственных семьях этот показатель обнаружения может достигать 70%, что указывает на клиническую применимость этих платформ NGS (30). Более низкие показатели выявления в южноафриканской когорте также могут быть связаны с ограничениями используемых методов тестирования. TGP рассматривают только конкретную подгруппу генов, которые были клинически связаны с заболеванием, тогда как WES рассматривает 1,2% генома человека, в частности тот, который при трансляции и транскрибировании будет выражаться в виде белков.Основное ограничение TGP и WES состоит в том, что оба метода основываются на этапе захвата экзона перед секвенированием. Были разработаны и модифицированы различные подходы к захвату экзонов, но ни один метод не может гарантировать идеальную однородность целевого покрытия — проще говоря, некоторые области могут секвенироваться лучше и с более высоким вертикальным охватом, чем другие (26, 31, 32). В сочетании с этим WES не учитывает тот факт, что некодирующие области генома содержат примерно 15% вариантов, которые оказывают большое влияние на признаки заболевания, и по этой причине любой патогенный вариант, который может находиться в этих регионах, не будет быть идентифицированным (26).

Учитывая ограниченность как TGP, так и WES, многочисленные варианты и / или новые гены могли быть пропущены как возможная причина IEI у оставшихся 70% пациентов. Многочисленные исследования показали, что WGS более мощный, чем TGP и WES, поскольку этот метод распространяется за пределы целевых регионов и не ограничивается методами захвата, что является существенным ограничением как для TGP, так и для WES (26, 33–35). WGS не использовался у пациентов в этом исследовании, хотя это лучший вариант геномного тестирования при редких заболеваниях.В дальнейшем ряд пациентов в этом исследовании без окончательного диагноза или выявленных генетических вариантов-кандидатов будут подвергнуты WGS в качестве продолжения ранее описанных исследовательских проектов. Пациенты с IEI, которые ранее не набирались, также будут рассматриваться для WGS с надеждой на лучшее понимание генетического вклада в IEI у африканских пациентов и на увеличение диагноза.

Более низкие уровни обнаружения в этой когорте также можно объяснить геномным тестированием в популяции, в которой геном очень разнообразен, малоизучен и плохо изучен.У африканских пациентов неоткрытые варианты и соответствующие им иммунные пути могут быть причиной различий в восприимчивости и последующих клинических проявлений заболевания, что делает вызов вариантов и их интерпретацию после тестирования NGS огромной проблемой (25, 36). Чтобы преодолеть такие ограничения, существует острая необходимость в дополнительных исследованиях, посвященных африканскому генетическому разнообразию как в отношении здоровья, так и болезней, а также того, как это определяет преобладающие специфические иммунные ответы хозяина (25).

Интересным выводом этого исследования было то, что уровни обнаружения с использованием целевых панелей генов NGS были выше, чем уровни обнаружения с использованием WES на более широкой основе (46% против 25%), несмотря на то, что панельное тестирование было более ограничительным, чем WES.Возможно, это связано с более целенаправленным фенотипированием пациентов, отобранных для панелей, по сравнению с пациентами, отобранными для WES на основе исследований. Пациенты, отобранные для WES, были выбраны на основании истории тяжелого, необычного, рецидивирующего или стойкого туберкулеза и, следовательно, предположительно страдали МСМР. Использование таких критериев включения в стране, где показатели заболеваемости туберкулезом исключительно высоки, могло привести к включению пациентов с клинической картиной, которая связана с воздействием окружающей среды и социальными обстоятельствами, а не с лежащим в основе генетическим дефектом.Также остается возможность того, что лежащие в основе генетические дефекты восприимчивости к микобактериальным заболеваниям, таким как туберкулез, различны в африканской популяции, что затрудняет определение приоритетов генов и вариантов с помощью существующих биоинформатических систем. Отбор пациентов с подозрением на МСМД остается проблемой в таких странах, как Южная Африка, где туберкулез остается пандемией, и необходима очень тщательная оценка со стороны экспертов в области иммунологии и генетики, чтобы гарантировать, что ресурсы не расходуются без надобности.

Это исследование показало, как геномное тестирование положительно повлияло на клиническое и семейное управление у значительного числа пациентов. Мотивация правительства к выделению средств на геномные услуги и тестирование в будущем требует доказательств клинической пользы и полезности для общественного здравоохранения, и это исследование является первым в своем роде, демонстрирующим это в Южной Африке. По-прежнему остается проблемой получение государственного финансирования для включения такого тестирования в повседневную клиническую помощь пациентам с подозрением на ИЭН.Быстрое снижение стоимости секвенирования NGS и стоимость одного образца WES (т.е. только для пробанда), сравнимая со стоимостью целевых панелей, должны убедить государственные и частные спонсоры здравоохранения рассмотреть возможность внедрения такого тестирования как в финансируемых, так и в ограниченных ресурсах. среды. Наши результаты позволяют начать разговор о распространении тестирования NGS для IEI с целью улучшения общего ухода за пациентами и их членами.

Заявление о доступности данных

Наборы данных, представленные в этом исследовании, можно найти в онлайн-репозиториях.Названия репозитория / репозиториев и номера доступа можно найти в статье / Дополнительных материалах.

Заявление об этике

Исследования с участием людей были рассмотрены и одобрены Комитетом по этике медицинских исследований Стелленбошского университета [N13 / 05/075 и N13 / 05/075 (A)]. Письменное информированное согласие на участие в этом исследовании было предоставлено законным опекуном / ближайшими родственниками участников. Письменное информированное согласие было получено от законного опекуна / ближайших родственников несовершеннолетних на публикацию любых потенциально идентифицируемых изображений или данных, включенных в эту статью.

Вклад авторов

Авторы проекта — CE, MU, ME, MM, CK и BG. BP и AC провели все лабораторные эксперименты. Компания BG провела весь биоинформатический анализ данных WES. MS, CE и MU оказали помощь в генетическом консультировании. ME, DA и HC были вовлечены в набор пациентов. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Финансирование

Исследование, описанное в этой публикации, было частично профинансировано Национальным исследовательским фондом лабораторной службы здравоохранения (GRANT004 ​​94525) и Южноафриканским советом по медицинским исследованиям.Авторы несут полную ответственность за содержание, которое не обязательно отражает официальную точку зрения Южноафриканского совета медицинских исследований. Эта работа также была поддержана Национальным исследовательским фондом Южной Африки уникальным грантом № 93360 под названием «Выявление новых генов-кандидатов на предрасположенность к туберкулезу с использованием данных NGS от людей с ВЗОМТ». Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы хотим поблагодарить всех участников исследования и членов их семей, лабораторий Invitae, лабораторий AMPATH, доктора Дэвида Мура, больницу Криса Хани Барагваната и Университета Витватерсранда за одного направленного пациента в это исследование, а также наших спонсорам проекта (Южноафриканскому национальному исследовательскому фонду, Южноафриканскому совету медицинских исследований и Фонду Гарри Кроссли) за их финансовую поддержку. Исследование, представленное в этой публикации, было поддержано Южноафриканским советом медицинских исследований.Авторы несут полную ответственность за содержание, которое не обязательно отражает официальную точку зрения Южноафриканского совета медицинских исследований.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2021.665621/full#supplementary-material

Ссылки

1. Casanova JL , Конли М.Э., Селигман С.Дж., Абель Л., Нотаранджело Л.Д. Руководство по генетическим исследованиям у одиноких пациентов: уроки первичных иммунодефицитов. J Exp Med (2014) 211: 2137–49. doi: 10.1084 / jem.20140520

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

2. Modell V, Quinn J, Orange J, Notarangelo LD, Modell F. Первичные иммунодефициты во всем мире: обновленный обзор глобальной сети Jeffrey Modell Centres. Immunol Res (2016) 64: 736–53. doi: 10.1007 / s12026-016-8784-z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

3. Пикард К., Бобби Гаспар Х., Аль-Херц В., Бусфиха А., Казанова Дж. Л., Шатила Т. и др.Международный союз иммунологических обществ: Отчет Комитета по первичным иммунодефицитным заболеваниям 2017 г. о врожденных ошибках иммунитета. J Clin Immunol (2018) 38: 96–128. doi: 10.1007 / s10875-017-0464-9

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

4. Куинн Дж., Моделл В., Холле Дж., Трутэй Р., Арадья С., Джонсон Б. и др. Jeffrey’s Insights: Глобальная экспериментальная программа генетического секвенирования Фонда Джеффри Моделла для выявления конкретных первичных дефектов иммунодефицита для оптимизации ведения и лечения заболеваний. Immunol Res (2020) 68: 126–34. doi: 10.1007 / s12026-020-09131-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

5. Стрэй-Педерсен А., Сорте Х.С., Самаракун П., Гамбин Т., Чинн И.К., Кобан Акдемир Ж.Х. и др. Первичные иммунодефицитные заболевания: геномные подходы выявляют гетерогенные менделевские расстройства. J Allergy Clin Immunol (2017) 139: 232–45. doi: 10.1016 / j.jaci.2016.05.042

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

6.Bousfiha A, Jeddane L, Picard C, Al-Herz W., Ailal F, Chatila T. и др. Врожденные ошибки иммунитета человека: обновление Фенотипической классификации IUIS 2019 г. J Clin Immunol (2020) 40: 66–81. doi: 10.1007 / s10875-020-00758-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

7. Bousfiha AA, Jeddane L, Ailal F, Benhsaien I., Mahlaoui N, Casanova J-L, et al. Первичные иммунодефицитные заболевания во всем мире: более распространены, чем принято считать. J Clin Immunol (2013) 33: 1–7.doi: 10.1007 / s10875-012-9751-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

9. Элей Б., Эссер М. Исследование и лечение первичного иммунодефицита у южноафриканских детей. S Afr Med J (2014) 104: 793. doi: 10.7196 / SAMJ.8946

CrossRef Полный текст | Google Scholar

10. Рамзи М., де Фрис Дж., Судьял Х., Норрис С.А., Санко О. Этические проблемы геномных исследований на африканском континенте: опыт и проблемы комитетов по этике. Hum Genomics (2014) 8:15. DOI: 10.1186 / s40246-014-0015-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

11. Heimall JR, Hagin D, Hajjar J, Henrickson SE, Hernandez-Trujillo HS, Tan Y, et al. Использование генетического тестирования для пациентов с первичным иммунодефицитом. J Clin Immunol (2018) 38: 320–9. doi: 10.1007 / s10875-018-0489-8

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

12. Эстеве-Соле А., Сологурен И., Мартинес-Сааведра М. Т., Дея-Мартинес А., Олеага-Кинтас С., Мартинес-Баррикарте Р. и др.Лабораторная оценка цепи IFN-γ для молекулярной диагностики менделевской восприимчивости к микобактериальным заболеваниям. Crit Rev Clin Lab Sci (2018) 55: 184–204. doi: 10.1080 / 10408363.2018.1444580

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

13. Чинен Дж., Лоуренс М., Дорси М., Кобрински Л.Дж. Практический подход к генетическому тестированию на первичные иммунодефициты. Ann Allergy Asthma Immunol (2019) 123: 433–9. DOI: 10.1016 / янв.2019.08.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

14. Rae W., Ward D, Mattocks C, Pengelly RJ, Eren E, Patel SV и др. Клиническая эффективность панели генов секвенирования нового поколения для первичной диагностики иммунодефицита. Clin Genet (2018) 93: 647–55. doi: 10.1111 / cge.13163

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

15. Аль-Муса Х, Абуэльода М., Монис Д.М., Аль-Тассан Н., Аль-Гонаиум А, Аль-Сауд Б. и др. Беспристрастный целевой молекулярный подход к секвенированию следующего поколения для первичных иммунодефицитных заболеваний. J Allergy Clin Immunol (2016) 137: 1780–7. doi: 10.1016 / j.jaci.2015.12.1310

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

16. Галло В., Дотта Л., Джардино Дж., Чирилло Э., Лугарис В., Д’Ассанте Р. и др. Диагностика первичных иммунодефицитов с помощью секвенирования следующего поколения. Front Immunol (2016) 7: 466. doi: 10.3389 / fimmu.2016.00466

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

17. Modell V, Orange JS, Quinn J, Modell F.Глобальный отчет о первичных иммунодефицитах: обновление 2018 г. из сети центров Джеффри Моделла по классификации заболеваний, региональным тенденциям, методам лечения и результатам, сообщаемым врачами. Immunol Res (2018) 66: 367–80. doi: 10.1007 / s12026-018-8996-5

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

18. Wang W, Corominas R, Lin GN. Мутации De Novo в результате секвенирования всего экзома при нервно-психических расстройствах: от открытия к применению. Передний Genet (2019) 10: 258. doi: 10.3389 / fgene.2019.00258

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

19. Cifaldi C, Brigida I, Barzaghi F, Zoccolillo M, Ferradini V, Petricone D, et al. Целевые платформы NGS для генетического скрининга и обнаружения генов при первичных иммунодефицитах. Front Immunol (2019) 10: 316. doi: 10.3389 / fimmu.2019.00316

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

20. Берк В. Генетические тесты: клиническая валидность и клиническая полезность. Curr Protoc Hum Genet Редакционная коллегия Джонатан Хейнс Аль (2014) 81: 9.15.1–8. doi: 10.1002 / 0471142905.hg0915s81

CrossRef Полный текст | Google Scholar

21. Селеман М., Хойос-Бачилоглу Р., Геха Р.С., Чоу Дж. Использование технологий секвенирования нового поколения для диагностики первичных иммунодефицитов. Front Immunol (2017) 8: 847. doi: 10.3389 / fimmu.2017.00847

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

22. Yska HAF, Elsink K, Kuijpers TW, Frederix GWJ, van Gijn ME, van Montfrans JM.Диагностические возможности секвенирования следующего поколения у генетически недиагностированных пациентов с первичными иммунодефицитами: систематический обзор. J Clin Immunol (2019) 39: 577–91. doi: 10.1007 / s10875-019-00656-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

23. Шиллитоэ Б., Бэнгс С., Гузман Д., Геннери А.Р., Лонгхерст Х.Дж., Слаттер М. и др. Регистр первичного иммунодефицита Соединенного Королевства (UKPID) с 2012 по 2017 год. Clin Exp Immunol (2018) 192: 284–91.doi: 10.1111 / cei.13125

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

24. Ричардс С., Азиз Н., Бейл С., Бик Д., Дас С., Гастье-Фостер Дж. И др. Стандарты и руководящие принципы интерпретации вариантов последовательностей: совместная консенсусная рекомендация Американского колледжа медицинской генетики и геномики и Ассоциации молекулярной патологии. Genet Med (2015) 17 (5): 405–23. doi: 10.1038 / gim.2015.30

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

25.Мартин А.Р., Теферра С., Мёллер М., Хоул Э.Г., Дейли М.Дж. Критические потребности и проблемы для исследований генетической архитектуры в Африке. Curr Opin Genet Dev (2018) 53: 113–20. doi: 10.20944 / preprints201806.0201.v1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

26. Маццаротто Ф., Оливотто И., Уолш Р. Преимущества и опасности клинического секвенирования всего экзома и всего генома в кардиомиопатии. Cardiovasc Drugs Ther (2020) 34: 241–53. doi: 10.1007 / s10557-020-06948-4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

27.Гланцманн Б., Урен С., де Вильерс Н., ван Коллер А., Глашофф Р.Х., Урбан М. и др. Первичные иммунодефицитные заболевания в эндемичном по туберкулезу регионе: проблемы и возможности. Genes Immun (2019) 20: 447–54. DOI: 10.1038 / s41435-018-0041-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

28. Ядав Р.М., Гупта М., Далви А., Баргир У.А., Хуле Г., Шабриш С. и др. Пренатальная диагностика первичных иммунодефицитных заболеваний — обзор индийского сценария. Front Immunol (2020) 711: 3163.doi: 10.3389 / fimmu.2020.612316

CrossRef Полный текст | Google Scholar

29. Эль-Хавари Р. Э., Машаль С. С., Абд Элазиз Д. С., Эльшаркави М. А., Алькади Р. С., Лотфи С. и др. Генетическое консультирование при первичных иммунодефицитных заболеваниях: новый опыт в Египте. Mol Diagn Ther (2017) 21 (6): 677–84. doi: 10.1007 / s40291-017-0297-5

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

30. Саймон А.Дж., Голан А.С., Лев А., Стаубер Т., Барел О., Сомех И. и др.Подход с использованием секвенирования всего экзома (WES) для диагностики первичных иммунодефицитов (PID) в сообществе с высоким уровнем кровного родства. Clin Immunol (2020) 214: 1–7. doi: 10.1016 / j.clim.2020.108376

CrossRef Полный текст | Google Scholar

31. Самородницкий Э., Джуэлл Б.М., Хагопиан Р., Мия Дж., Винг М.Р., Лион Э. и др. Оценка гибридизационного захвата по сравнению с методами на основе ампликонов для секвенирования всего экзома. Hum Mutat (2015) 36: 903–14. doi: 10.1002 / humu.22825

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

32.Чиламакури CSR, Lorenz S, Madoui M.-A, Vodák D, Sun J, Hovig E, et al. Сравнение производительности четырех систем захвата экзома для глубокого секвенирования. BMC Genomics (2014) 15: 449. doi: 10.1186 / 1471-2164-15-449

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

33. Манасе Д., Д’Алессандро Л.С., Маникарадж А.К., Аль-Турки С., Херлес М.Э., Митал С. Охват клинически значимых сердечных генов с помощью экзома с высокой пропускной способностью. BMC Med Genomics (2014) 7:67. doi: 10.1186 / s12920-014-0067-8

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

34.Белкади А., Больце А., Итан Й., Кобат А., Винсент К. Б., Антипенко А. и др. Секвенирование всего генома более эффективно, чем секвенирование всего экзома для обнаружения вариантов экзома. Proc Natl Acad Sci USA (2015) 112: 5473–8. DOI: 10.1073 / pnas.1418631112

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

35. Барбитов Ю.А., Полев Д.Е., Глотов А.С., Серебрякова Е.А., Щербакова И.В., Киселев А.М. и др. Систематическое изучение предубеждений при секвенировании всего экзома и всего генома выявляет основные факторы, определяющие охват кодирующих последовательностей. Sci Rep (2020) 10: 2057. doi: 10.1038 / s41598-020-59026-y

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

36. Кэмпбелл М.С., Тишкофф С.А. Африканское генетическое разнообразие: последствия для демографической истории человека, современного происхождения человека и составления карт болезней. Annu Rev Genomics Hum Genet (2008) 9: 403–33. doi: 10.1146 / annurev.genom.9.081307.164258

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Exome — обзор | Темы ScienceDirect

Секвенирование экзома в ID и ASD

Экзом составляет менее 2% генома человека, но содержит около 85% известных болезнетворных вариантов, что делает секвенирование экзома экономически эффективным и убедительным подходом для выявления заболевания гены.Секвенирование экзома сочетает в себе технологию NGS с целевым захватом и амплификацией экзонов (примерно 40 Мбит / с генома). Эффективность захвата зависит от процентного содержания нуклеотидного состава GC целевой последовательности (также известного как систематическая ошибка захвата GC). Для экзонов с особенно высоким содержанием GC секвенирование экзома может не обеспечить достаточного покрытия для точного обнаружения и вызова вариантов.

Krumm et al. рассмотрели шесть семейных исследований экзома РАС и ID и обнаружили, что гены, участвующие в ASD и ID, сходятся по трем функциональным путям: ремоделирование хроматина, передача сигналов Wnt во время развития и синаптическая функция. ⁵⁴

Hamdan et al. выполнили глубокое секвенирование экзома у 41 человека с умеренным или тяжелым ID и их здоровых родителей. ⁵⁵ Точечные мутации De novo (DNM) (включая SNV и небольшие вставки / делеции) оценивались на предмет их роли в генетике ID. Наконец, был идентифицирован и подтвержден 81 предполагаемый DNM, который повлиял на кодирующую последовательность или консенсусные сайты сплайсинга (1,98 DNM / пробанд). Скорость de novo SNV в консенсусных кодирующих последовательностях составляла 2,58 × 10 ^-8 на основание на поколение в случаях ID, что значительно выше, чем ожидаемая скорость популяции, равная 1.65 × 10 ⁻⁸ . Наблюдался значительный избыток нонсенс-мутаций de novo и сайтов сплайсинга у пробандов по сравнению с контрольной группой без семейного анамнеза ID, что позволяет предположить, что по крайней мере часть из них является патогенной. Девять DNM с потерей функции (бессмысленные варианты, варианты сдвига рамки считывания и канонические варианты сплайсинга) и три предсказанных повреждающих DNM (вставка в рамке считывания и две миссенс-мутации) были идентифицированы в генах, ранее связанных с ID ( ARID1B , CHD2 , FOXG1 , GABRB3 , GATAD2B , GRIN2B , MBD5 , MED13L , SETBP1 , TBR1 , TCF4 и WDR45 ), что дает диагностический результат 29% .Шесть предсказанных повреждающих DNM были идентифицированы в генах ( SET , EGR1 , PPP1CB , CHMP2A , PPP2R2B и VPS4A ), которые имеют биологические функции, относящиеся к ID.