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, например Rhodopseudomonas 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 О2 гидрогеназой. 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.