биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Бактерии для водородной энергетики

[13 января, 2011 г.]

Если исключить из рассмотрения вполне конкретный круг лиц, человечество заинтересовано в том, чтобы перейти от «топки ассигнациями» (как в свое время окрестил Менделеев сжигание нефтепродуктов) к более «чистым» и возобновляемым альтернативным источникам энергии. Основной надеждой давно уже является водород, однако его сложно хранить и дорого получать «традиционными» способами, а в чистом виде на Земле его немного. Водород выделяют многие бактерии, но большинство живет в строго анаэробных условиях и не может использоваться для масштабного производства этого газа. Однако недавно в океане открыли штамм аэробных цианобактерий, очень эффективно вырабатывающих водород. Станут ли они опорой для ещё толком не окрепшей альтернативной энергетики?

Нашу жизнь невозможно представить без повсеместно распространенных и всем доступных источников энергии и потребляющих её машин: это розетки, аккумуляторы портативной электроники, электропоезда, миллионы автомобилей, газопроводы и разветвленные сети автозаправок. Бóльшую часть всей энергии — как тепловой, так и электрической — по-прежнему получают сжиганием органического топлива: нефтепродуктов, природного газа, угля и торфа. Ни гидроэлектростанции, ни солнечная энергия, ни сила ветров и приливов, ни даже «мирный атом» не играют главной роли в энергетическом балансе большинства стран. «Дармовая» солнечная энергия, хотя её и очень много, слишком рассеяна, а фотоэлементы слишком дороги, чтобы в обозримом будущем стать реальной альтернативой «топке ассигнациями». Пресловутые биодизель и биоэтанол, если их начать производить в масштабе планеты, банально лишат пищи миллиард людей, поскольку потребуют слишком больших сельскохозяйственных площадей. Термоядерный синтез благородно, но призрачно поблескивает где-то в начале XXII века.

Реальной альтернативой как нефтепродуктам, так и аккумуляторам является водород (см. Водородная энергетика), поскольку его «энергетическая ценность» максимально высока. Конечно, его сложнее запасать, нежели бензин (газ просто так в бак не зальёшь) — баллоны высокого давления представляют существенную взрывоопасность, сжиженный газ требует температуры −253° C, а «металлические аккумуляторы» дóроги и легко выходят из строя.

Несмотря на то, что во Вселенной водород — самый распространенный элемент, свободного водорода на Земле мало. В промышленности его получают паровой конверсией метана или природного угля, но в контексте альтернативной энергетики это напоминает «обмен шила на мыло». Электролиз требует огромных затрат электричества (которое получается — откуда?..), и, если пока оставить в стороне гипотезу, что под мантией нашей планеты находятся фантастические залежи водорода [1], остается фактически один путь получения водорода в больших количествах: биотехнологический.

Известно достаточно много бактерий, которые выделяют водород, но большинство из них — факультативные анаэробы, то есть могут существовать только в средах без доступа воздуха, что, очевидно, не очень-то подходит для промышленности. Идея создать генно-инженерную бактерию, которая бы вырабатывала водород, используя энергию фотосинтеза, уже довольно давно гуляет среди биологов, и известный молекулярный биолог Крейг Вентер даже заявил это одним из приоритетов своей «искусственной жизни» [2], однако на сегодняшний день это пока чистой воды спекуляция. Может быть, такие микроорганизмы всё-таки где-то и так обитают на нашей планете?

Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (Миссури, США) обнаружили в океанских водах одноклеточную цианобактерию, названную Cyanobacterium cyanothece 51142, которая совмещает в себе сразу два фундаментальных биохимических пути — это фотосинтез и запасание энергии в светлое время суток и азотфиксация с выделением водорода и затратой энергии — ночью [3].

Бактерия Cyanothece 51142 была открыта в 1993 году в водах Мексиканского залива недалеко от побережья Техаса Луисом Шерманом (Louis Sherman) из университета Пердью (Индиана, США), одним из авторов работы. Позже Химадри Пакраши (Himadri Pakrasi), главный автор статьи [3], доказал, что бактерия имеет «двухфазный цикл». В течение дня она фотосинтезирует, используя солнечный свет и атмосферный углекислый газ для запасания энергии в форме гликогена. Ночью эта энергия тратится, когда запускается фермент нитрогеназа, фиксирующий атмосферный азот и выделяющий водород в качестве побочного продукта (рис. 1).

Рисунок 1. Фотобиологический синтез водорода бактерией Cyanothece 51142. Бактерия использует лучи солнца в качестве источника энергии, а углекислый газ и глицерин из окружающей среды (если есть) как субстрат для синтеза запасающего полимера — гликогена. В темное время суток он, распадаясь, служит источником энергии для другого процесса — фиксации атмосферного азота, в котором водород служит акцептором электронов и выделяется в качестве побочного продукта.

Самое интересное здесь в том, как бактерии удается держать в одной упряжке «коня и трепетную лань» — а именно аэробный процесс фотосинтеза и анаэробный цикл фиксации азота, довольно «хрупкий» фермент которого — нитрогеназа — легко разрушается под действием кислорода. Достигается это, видимо, пространственной и временнóй разобщенностью этих процессов: ночью, когда кислород не синтезируется, его излишки потребляются самой бактерией, и нитрогеназа в результате оказывается в более или менее бескислородном окружении.

Природные реакторы

Что замечательно, выход водорода, и так достаточно высокий, удалось в лабораторных условиях дополнительно повысить, «отрегулировав» длительность светового дня и вмешавшись тем самым в циркадный ритм бактерий, а также добавляя в среду глицерин или другие внешние источники углерода, «подкармливая» бактерии, находящиеся на «световой диете». Зарегистрированный выход — 150 микромоль водорода на миллиграмм хлорофилла в час — самый высокий, который удавалось наблюдать для природных цианобактерий. Если экстраполировать эти результаты на чуть большего размера реактор, выход составит 900 мл водорода с литра бактериальной культуры за 48 часов.

С одной стороны, это вроде бы и не много, но если представить себе раскинувшиеся на тысячи квадратных километров экваториальных океанов реакторы с бактериями, работающими в полную силу, то итоговое количество газа может быть впечатляющим. Ведь бактерии намного лучше человека с его несовершенными фотоэлементами умеют собирать и запасать рассеянную, но все же колоссальную энергию Солнца! А если удастся создать самоподдерживающуюся экосистему — это был бы очередной «дармовой» источник энергии, стоимость водорода в котором вполне могла бы дать фору паровой конверсии метана и составить конкуренцию нефти.

Эта работа показывает, на что способны природные микроорганизмы, для которых синтез водорода — отнюдь не приоритет. А значит, что со временем человек — не зря же мы уже более полувека изучаем молекулярную биологию? — создаст генно-инженерные штаммы, ещё более продуктивные в этом отношении.

Использованы материалы Nature News [4].

Литература

  1. Чумаков В. Разворот на водород. Вокруг света, 2006 (№ 6);
  2. биомолекула: «Жизнь в эпоху синтетической жизни»;
  3. Bandyopadhyay A., Stöckel J., Min H., Sherman L.A., Pakrasi H.B. (2010). High rates of photobiological H2 production by a cyanobacterium under aerobic conditions. Nat. Commun. 1, 139;
  4. Nature News — «Hydrogen production comes naturally to ocean microbe».

Автор: Чугунов Антон.

Число просмотров: 1717.

Вернуться в раздел «Новости»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Re: Бактерии для водородной энергетики

Юрий — 5 марта, 2017 г. 10:06. (ссылка)

Сложно понять человечество. У него есть все знания и ресурсы, чтобы получать практически бесплатный водород в неограниченных количествах, но нет, оно пытается пробить лбом стену, вместо того, чтобы просто обойти ее. Бактерии, уголь, метан и т.д. - это все супер, но если включить логику, и подумать самую малость, водород: что мы с ним будем делать кушать кусками или намазывать тонким слоем на хлеб - это вопрос его конечного использования, а кто-нибудь задумывался над тем, что водород как газ, можно заставить сделать колоссальную работу и при этом он не растратит своих физико-химических свойств, тем самым восполнив энергию затраченную на его производство.

(ответить)

Re: Бактерии для водородной энергетики

Дмитриенко Денис — 17 марта, 2011 г. 21:17. (ссылка) (свернуть ветвь)

Кстати, другая альтернатива - это метан, который продуцируют бактерии-метаногены. Они и к свету не привязаны, могут синтезировать топливо круглые сутки. Метан легче хранить и использовать в двигателях (температура горения ниже, поэтому меньше получается побочных продуктов, таких как оксиды азота)

(ответить)

Re: Re: Бактерии для водородной энергетики

Чугунов Антон — 17 марта, 2011 г. 22:10. (ссылка) (свернуть ветвь)

По идее, это верно, хотя метан альтернативным топливом почему-то не называют. Наверное, потому что его и так много в природных месторождениях?

(ответить)

Re: Re: Re: Бактерии для водородной энергетики

Дмитриенко Денис — 17 марта, 2011 г. 22:31. (ссылка)

Я имел в виду альтернативном по отношению к бензину и другим нефтепродуктам, а так да - есть месторождения природного газа. Просто их использовать - это менять шило на мыло, когда закончится нефть.

(ответить)

Re: Бактерии для водородной энергетики

 — 17 марта, 2011 г. 14:12. (ссылка) (редактировать) (удалить)

во всяком случае за водородом будущее, нефтепродукты растут неудержимо в цене, да и их запасы не велики.

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.