Образование молекулярного водорода фототрофами

Из фототрофных организмов способность к выделению Н₂ проявляют многие пурпурные бактерии, цианобактерии и ряд водорослей. Среди последних есть не только микро-, но и макро­формы. Есть данные о выделении в небольшом количестве Н₂ и высшими растениями.

Пурпурные бактерии осуществляют так называемый аноксигенный фотосинтез (фотосинтез без выделения молекулярного кислорода). Объясняется это тем, что они не могут использовать воду при фотоассимиляции СО₂ и в других конструктивных про­цессах в качестве исходного донора электронов; такую функцию у них выполняют сульфид, сера, тиосульфат, органические ве­щества или Н₂.

Анаэробное окисление многими пурпурными бактериями орга­нических веществ и неорганических соединений серы в опреде­ленных условиях ведет к образованию ими Н₂. Особенно в боль­шом количестве эти микроорганизмы выделяют молекулярный во­дород в присутствии света. Поэтому данный процесс часто назы­вают фотовыделением водорода.    В отличие от образования Н₂ при брожении фотовыделение Н₂ пурпурными бактериями катализирует обычно не гидрогеназа, а нитрогеназа — фермент, главная функция которого заключается в превращении N₂ в аммиак. Но даже при наличии N₂ часть электронов, поступающих к нитрогеназе, расходуется на восстановление протонов, что ведет к выделению H₂:

N₂ + 8е + 8Н⁺ 2NH₃ + Н₂

К фотовыделению Н₂ способны растущие культуры, суспензии клеток, а также иммобилизованные клетки пурпурных бактерий. Некоторые субстраты, например ацетат, лактат, малат, глюкоза, могут полностью разлагаться клетками этих микроорганизмов до СО₂ и Н₂.

К числу наиболее активных продуцентов Н₂ относятся неко­торые штаммы Rhodobacter capsulatus. Растущие культуры этой бактерии, используя лактат, выделяют в некоторых условиях Н₂ со скоростью 300—500 мл ч ∙г сухой биомассы. При исполь­зовании клетками пурпурных бактерий 1 кг лактата можно получить до 1350 л Н₂. КПД конверсии энергии света при образова­нии пурпурными бактериями Н₂ достигает 2,0—2,8 %.

Среди цианобактерий также обнаружены штаммы, выделяю­щие при наличии света Н₂ в довольно большом количестве и со значительной скоростью (30—40 мл ч ∙г сухой биомассы). К таким организмам относятся в основном нитчатые формы, образующие особые клетки — гетероцисты (например, Anabaena cylindrica, A. varidbilis, Mastlgocladus thermophilus, M. laminosus).

Выделение Н₂ чаще всего отмечается у суспензий клеток, при­чем может продолжаться 30 сут и более. Такую же способность проявляют иммобилизованные клетки микроорганизмов. В отли­чие от пурпурных бактерий для образования Н₂ цианобактериями не требуется каких-либо экзогенных доноров электронов, кроме воды. Важно также, что нитчатые формы бактерий, образующие гетероцисты, и некоторые одноклеточные виды способны выде­лять Н₂ не только в анаэробных, но и в аэробных условиях.

Фотообразование цианобактериями Н₂, как и у пурпурных бактерий (за редким исключением) катализирует нитрогеназа. Этот фермент очень чувствителен к молекулярному кислороду, но у цианобактерий, выделяющих Н₂ в аэробных условиях, он защищен от инактивирующего действия О₂ разными способами. У нитчатых форм, образующих гетероцисты, нитрогеназа локали­зуется в основном в этих специализированных клетках, которые в процессе фотосинтеза молекулярный кислород не выделяют.

КПД преобразования энергии света в Н₂ у цианобактерий по имеющимся расчетам может достигать около 10 %.

Выделение молекулярного водорода водорослями обнаружено лишь у суспензий клеток и в небольшом количестве, кроме того, процесс не стабилен. Одной из главных причин этого является инактивация гидрогеназы, катализирующей образование водо­рослями Н₂, под действием молекулярного кислорода, который они выделяют при фотосинтезе.

Из вышесказанного следует, что из разных фототрофов наиболее просто использовать в качестве продуцентов водорода пур­пурные бактерии. Но масштабность процесса получения с их помощью Н₂ ограничивается запасами и ценой тех субстратов (органических веществ или неорганических соединений серы), которые могут разлагаться с выделением молекулярного водо­рода.

Более перспективны в данном отношении цианобактерии, по­скольку выделение ими Н₂связано с биофотолизом воды, которая пока остается наиболее дешевым и доступным субстратом. Не прекращаются работы и с водорослями, так как они также спо­собны выделять Н₂ при разложении воды. Предлагается, кроме того, использовать комплексные системы, образующие Н₂, в ко­торые входят разные фототрофы или фототрофы и хемотрофы. Известно, что хлоропласты (например, из шпината) в присут­ствии искусственного донора электронов и бактериального экст­ракта, содержащего фермент гидрогеназу, способны продуциро­вать водород:

донор электронов  фотосистема I переносчик e гидрогеназа Н₂

 

Гидрогеназа получает электроны от ферредоксина. В качестве доноров электронов используются различные органические со­единения. Процесс сопровождается облучением видимым светом. Эта форма получения энергии имеет ряд достоинств: избыток суб­страта фотолиза (воды); нелимитированный источник энергии (солнечный свет); не загрязняющий атмосферу водород. Водород обладает более высокой теплотворной способностью по сравнению с углеводородами, кроме того, процесс получения водорода — возобновляемый процесс, зависящий в основном от стабильности выделенных  хлоропластов. Водород можно получать в присутствии искусственного донора e  (вместо воды) и поглощающих свет пигментов, а не мембран хлоропластов. Его способны выделять и некоторые микроорганизмы, например цианобактерии (аэробные фототрофы) и др. При этом микробиологическое образование водорода может идти из соединений углеводного характера, включая крахмал и целлюлозу, а также из амино- и кетокислот.

Основная проблема создания систем конверсии энергии биомассы в водород связана с превращением этих метаболитов в топливную форму. Для биотехнологии можно было бы воспользоваться и другими механизмами превращения энергии, выявленными у микроорганизмов. Например, галофильная бактерия Halobacterium halobium способна использовать световую энергию, улавливаемую пурпурным пигментом (бактериородопсином), вмонтированным в мембрану клетки. Молекула пигмента состоит из одной полипептидной цепи, к которой прикреплена молекула ретиналя, являющегося светочувствительной частью пигмента. Под влиянием солнечного света изменяется конформация пигмента, приводящая к переносу ионов водорода(H ) через мембрану. Пигмент является как бы протонным насосом. Молекулы бактериородопсина располагаются в мембране триадами, и перекачивание протонов через мембрану обеспечивает градиент концентрации H (Δ H ), вследствие чего они движутся к наружной cтенке, у которой пространство подкисляется и возникает электрохимический градиент (Δ ). Предприняты попытки встраивания молекул пигмента в искусственные системы повышения эффективности их использования. В частности, растущие бактерии H. halobium переносят в мелкие водоемы с высокой концентрацией NaCl и других минеральных солей, в которых исключается загрязнение. У некоторых штаммов половина клеточной мембраны покрыта пурпурным пигментом, и из 10 л бактериальной культуры можно получить 0,5 г пурпурных мембран. В таких биомембранах содержится до 100 000 молекул родопсина. Биомембраны фиксируют на особой подложке, которая должна обладать всеми свойствами, необходимыми для обеспечения тока протонов, а не других ионов. В частности, для этих целей вполне пригодны пористые подложки, пропитанные липидами, которые, сливаясь с мембраной, сплошным слоем покрывают поверхность фильтра. Мембранные фрагменты можно смешивать и с акриламидом с образованием геля. Вместо создания плотных слоев молекул бактериородопсин и липиды могут создавать протеолипосомы, которые встраивают в структуры, обеспечивающие эффективное перекачивание протонов.

У H. Halobium имеется и другой тип насоса, который обеспечивает галородопсин, использующий световую энергию непосредственно для перекачивания ионов. Изучение систем энергоконверсии чрезвычайно перспективно с точки зрения разработки искусственных устройств, более эффективных, чем естественные.

Наконец, следует отметить интерес к некоторым ферментам, образуемым фототрофами и хемотрофами, выделяющими Н₂, прежде всего к гидрогеназам. Помимо использования для полу­чения Н₂, гидрогеназы могут быть применены в других практиче­ски важных целях, включая восстановление кофакторов, напри­мер НАД, требующихся в некоторых производственных процес­сах, при синтезе соединений, меченных дейтерием и тритием, а также в топливных элементах.

Таким образом, хотя микробиологический способ получения молекулярного водорода еще не реализован, но работы в данном направлении развиваются и аспекты исследований водородобразующих видов микроорганизмов достаточно широки.

Заключение

Круг вопросов, к решению которых привлекают биотехнологические методы и достижения, достаточно широк. Большинство из них прямо или косвенно связано с глобальными проблемами, стоящими перед современной цивилизацией, такими, как загрязнение окружающей среды, угроза экологического кризиса, истощение запасов полезных ископаемых, опасность мирового энергетического кризиса, нехватка продовольствия, борьба с болезнями.

Повышение цен на традиционные источники энергии(природный газ, нефть, уголь) и угроза их исчерпания побудили ученых обратиться к альтернативным путям получения энергии. Роль биотехнологии в создании экономичных возобновляемых энергетических источников (спиртов, биогенных углеводородов, водорода) чрезвычайно велика. Эти экологически чистые виды топлива можно получать путем биоконверсии отходов промышленного и сельскохозяйственного производства. Перспективно продолжение исследований по усовершествованию и внедрению процессов производства метана, этанола, созданию на основе микроорганизмов (и ферментов) элементов, эффективно производящих электричество, а также по организации искусственного фотосинтеза, в частности, биофотолиза воды, при котором можно получать богатые энергией водород и кислород.

Список литературы

1. Промышленная микробиология. Под ред. Н.С.Егорова. М.: Высшая          школа, 1989 – 688 с.

2. Т.А. Егорова, С.М. Клунова. Основы биотехнологии. М.: Академия, 2003 – 207с.