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).

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. (2006). Разворот на водород. «Вокруг света»;
2. Жизнь в эпоху синтетической жизни;
3. Anindita Bandyopadhyay, Jana Stöckel, Hongtao Min, Louis A. Sherman, Himadri B. Pakrasi. (2010). High rates of photobiological H2 production by a cyanobacterium under aerobic conditions. Nat Comms. 1, 139;
4. Katharine Sanderson. (2010). Hydrogen production comes naturally to ocean microbe. Nature.