Получение водорода как топлива будущего.

Получение водо­рода как топлива пока остается на уровне поисковых разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н₂О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г. Химический и электрохимический способы получения Н₂ неэкономичны, поэтому заманчиво использование микроорга­низмов, способных выделять водород. Такой способностью обла­дают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие (Е. Н. Кондратьева, И. Н. Го-готов, 1981). Процесс протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.

Гидрогеназа — фермент, содержащий FeS-центры. Она ката­лизирует реакцию

2Н⁺ + 2е^- = Н₂

Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной гидрогеназы в состав искусственных Н₂-генерирую-щих систем. Сложной проблемой является нестабильность изоли­рованного фермента и быстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом. Повышение ста­бильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилиза­цией (Чан Динь Тоай, 1984; Y. Nosaka et. al., 1986). Иммобили­зация предотвращает ингибирование гидрогеназы кислородом.

Предложено много вариантов модельных систем, катализирую­щих образование водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаются механизмом улавливания энергии света и содержат хлоропласты или изолированный из них хлорофилл, а также восстановленные никотинамидные нуклеотиды. Некоторые системы наряду с водо­родом образуют кислород: в этом случае речь идет о биофотолизе воды.

Примером может служить система хлоропласт — ферредоксин — гидрогеназа. Ферредоксин служит промежуточным перенос­чиком электронов от фотосинтетической цепи хлоропластов к до­бавленной гидрогеназе. Серьезной проблемой является поддер­жание низкого парциального давления этих газов, с тем чтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина на флавопротеид или метилвиологен система образует только Н₂. Флавопротеид и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу от ингибирования кислородом. Разрабатываются системы с изолированным хлорофиллом, встроенным в детергент ные мицеллы или липосомы вместе с гидрогеназой. Предложена также система с гидрогеназой, иммо­билизованной в агарозном геле, с которым прочно связан поли­мерный виологен и металлопорфирин, аналог хлорофилла.

Водород получают также с применением целых клеток микро­организмов, стабильность которых возрастает при их иммобили­зации. Высокоэффективными продуцентами Н₂ являются пурпур­ные фототрофные бактерии, напримерRhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации в агарозном геле дают до 180 мкмоль Н₂ за 1 ч в пересчете на 1 мг бактериохлорофилла (М. Tadashi, A. Akira, 1983). Важное направление работ — поиск продуцен­тов Н₂ с устойчивой к О₂гидрогеназой.

Другим ферментом, катализирующим выделение водорода, является нитрогеназа. У всех микроорганизмов нитрогеназа состоит из двух, компонентов, а именно из MoFeS-протеида (молибдоферредоксина) и FeS-протеида (азоферредоксина). Ос­новной функцией нитрогеназы является восстановление моле­кулярного азота:

N₂ + 8H+ + 8е^- + nАТФ -> 2NH₃ + Н₂ + nАДФ + nфосфорная кислота

В отсутствие основного субстрата (N₂) нитрогеназа катали­зирует энергозависимое

 

восстановление Н⁺ с образованием Н₂. Переключение фермента с одного режима работы на другой является технологической проблемой. Один из путей решения — получение штаммов микроорганизмов с нитрогеназой, не утили­зирующей азот.

В Японии получен штамм Anabaena sp., который осуще­ствляет биофотолиз воды в режиме, не чувствительном к Н₂, О₂ и N₂. Повышению эффективности биофотолиза воды способствует чередование периодов функционирования биообъекта как про­дуцента Н₂ и О₂ с периодами «отдыха», когда клетки фотоассими-лируют СО₂ (вводимый на этот период в среду культивирования). Возможно комбинирование процессов получения Н₂ и других ценных продуктов. В частности, представители рода Clostridium дают органические растворители и в то же время обладают активной гидрогеназой. Если в реакторе с культурой Cl. saccharo-perbutylacetoniocum не создавать оттока для выделяющегося Н₂, то наблюдается ингибирование образования Н₂ и эффективный синтез бутанола, ацетона и этанола. Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с довольно активным образованием Н₂ культура синтезирует лишь этанол. Этот пример иллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического процесса условиями культивирования био­объекта.

Таким образом, предложены разнообразные проекты систем для получения водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательстве человека в процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно более полного превращения в энергию химической связи в молекуле Н₂.

Пути повышения эффективности фотосинтетических систем.

Рассчитанная теоретически эффективность фотосинтеза, т. е. коэффициент превращения световой энергии в химическую энергию органических веществ, близка к 15%. Фактически, однако, наиболее продуктив­ные культурные растения запасают не более 1, 5—2% энергии падающего света. Актуальная проблема технологической биоэнер­гетики — повышение эффективности фотосинтеза у культурных растений.

Разрабатывают следующие основные подходы к решению этой проблемы: 1) повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4—5% за счет увеличения площади листьев и их раннего формирования; 2) вмешательство в системы регуляции фотосинтеза — сбалансированное использование фитогормонов, трансплантация регуляторных генов; 3) увеличение скорости роста растений за счет оптимизации водного и минерального питания, что приведет к повышению их фотосинтетической активности; 4) увеличение числа хлоропластов в клетке на единицу площади листа; 5) установление оптимального соотношения между функционирующими реакционными центрами хлорофилла и промежуточными переносчиками электронов, на­пример, цитохромами; 6) увеличение скорости переноса электро­нов между фотосистемами I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов и синтезом АТФ.

Радикальным способом максимизации эффективности фотосин­теза было бы создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блоки фотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобных преобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькими десятилетиями.

Биотопливные элементы.

На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы, превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также катали -тическую активность целых клеток, например Е. coli, Вас.subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления глюкозы.

Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). По­средником между субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два пути дальнейшей передачи электронов на

 

элек­трод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный транспорт электронов на электрод (А. И. Ярополов, И. В. Березин, 1985). Конструкция биотопливного элемента позволяет генерировать не только электрический ток, но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в смесь фрук­тозы и глюконовой кислоты.

Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они представляют собой основной компонент биологи­ческих датчиков — биосенсоров, широко применяемых в химической промышленности, медицине, при контроле за биотехнологи­ческими процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода. Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают чувствитель­ный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина. Иммобилизация клеток Е. coli на кислородном электроде дает биосенсор для измерения кон­центрации глутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitro-somonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH₄⁺. На биосенсоре протекают следующие превращения: NH₄^{+Nitrosomonas} NO₂ ^NitrobacterNO₃ Раз­работаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.

 

Лекция №5

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: