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
NH4+----------------- > NO2" > NO3"
Разработаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.