Получение молекулярного водорода

Молекулярный водород считается наиболее перспективным ви­дом топлива. По энергоемкости (в расчете па единицу массы) он пре­восходит все другие соединения, которые можно использовать в этих целях. Его сжигание не сопровождается загрязнением среды большим количеством вредных веществ и, более того, ведет к регенерации воды. Водород может храниться, транспортироваться и легко преобразуется в электроэнергию с помощью топливных элементов.

К числу хемотрофов, образующих в значительном количестве мо­лекулярный водород, относится прежде всего ряд облигатиых и фа­культативных анаэробных бактерий. Кроме того, Н₂ выделяют неко­торые простейшие (главным образом из числа трипапозом), растущие в анаэробных условиях. Показана также возможность его образова­ния азотфиксирующими аэробами, например, азотобактером.

В наибольшем количестве молекулярный водород выделяют бак­терии, осуществляющие брожение разных органических веществ, по чаще всего углеводов.

К числу особенно активных продуцентов Н₂ относятся отдельные виды клостридий (например, Clostridium butyricum, С. perfringens), энтеробактерий (Escherichia coli, Citrobacter freundii), Ruminococcus и некоторых других родов. Из фототрофпых организмов ими явля­ются многие пурпурные бактерии, циапобактерии и ряд водорослей. Среди последних — не только микро-, но и макроформы. Есть дан­ные о выделении в небольшом количестве Н₂ и высшими растениями.

Пурпурные бактерии осуществляют так называемый аиоксигеи-иый 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 его в присутствии света. Поэтому данный процесс часто называют фотовыделеиием водорода. В отли-

чие от образования Н₂ при брожении его фотовыделеиие пурпурны­ми бактериями катализирует обычно не гидрогеиаза, а нитрогеназа — фермент, главная функция которого заключается в превращении N₂в аммиак. Но даже при наличии N₂часть электронов, поступающих к питрогеиазе, расходуется на восстановление протонов, что ведет к вы­делению Н₂.

Среди циаиобактерий также обнаружены штаммы, выделяющие при наличии света Н₂ в довольно большом количестве и со значительной скоростью (30 — 40 мл • ч"¹ • г"¹ сухой биомассы). К таким организ­мам относятся в основном нитчатые формы, образующие особые клет­ки — гетероцисты (например, Anabaena cylindrica, A. variabilis, Mastigocladus thermophilus, M. laminosus).

Продуцирование 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 молекулярного водорода цианобактериями не требуется каких-либо экзогенных доноров элек­тронов, кроме воды. Важно также, что нитчатые формы бактерий, фор­мирующие гетероцисты, и некоторые одноклеточные виды способны выделять Н₂ не только в анаэробных, но и в аэробных условиях.

Более перспективны в данном отношении цианобактерии, поскольку выделение ими Н₂ связано с биофотолизом воды, которая пока остает­ся наиболее дешевым и доступным субстратом. Не прекращаются работы и с водорослями, так как они также способны продуцировать водород при разложении воды. Предлагается, кроме того, использо­вать комплексные системы, образующие Н₂, в которые входят разные фототрофы или фототрофы и хемотрофы.

Показана также принципиальная возможность получения молеку­лярного водорода из воды с помощью хлоропластов при добавлении к ним гидрогеназы и некоторых других компонентов, хотя скорость его выделения и стабильность такой системы невелики. Но исследование образования Н₂ подобными модельными системами может помочь со­зданию аналогичных искусственных катализаторов для преобразова­ния солнечной энергии в молекулярный водород.

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

Биотопливные элементы

На уровне поисковых разработок находятся биотопливные эле­менты, превращающие химическую энергию субстрата в электриче­скую. Примерами могут служить такие элементы на основе окисле­ния метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидроге-назы, муравьиной кислоты в СО₂ с участием формиатдегидрогеназы,

глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Исполь­зуют также каталитическую активность целых клеток, например Е. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления глюкозы.

Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). Посред­ником между ними выступает биокатализатор. Существует два пути дальнейшей передачи электронов на анод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный их транспорт на электрод. Конструкция био­топливного элемента не только позволяет генерировать электриче­ский ток, но и осуществлять важные химические превращения. На­пример, топливный элемент с глюкозооксидазой и p-D-фруктофура-нидазой 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, клеток Е. coli на кислородном электро­де — биосенсор для измерения концентрации глутаминовой кислоты, а клеток Nitrosomonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH⁴. На биосенсоре протекают следующие превраще­ния:

Nitrosomonas Nitrobacter

NH^{4+-----------------} > NO²" > NO³"

Разработаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диа­бета.