Предисловие

Последние десятилетия характеризуются всевозрастающим интересом к анализу фундаментальных проблем взаимодействия человека и окружающей среды [1-5]. Этот интерес определяется расширением влияния человека на природу, при этом масштабы глобального воздействия становятся соизмеримыми с потенциальными возможностями Земли как среды обитания человека. Проблемы, которые возникают при этом, связаны с ограниченностью традиционных источников сырья, пищевых ресурсов, энергии, интенсивным загрязнением среды отходами промышленного и сельскохозяйственного производства.

Человечество осуществляет преобразование вещества и энергии на основе систем знаний, задающих уровень современной технологии. Современное развитие характеризуется удвоением уровня производства в течение каждых 15-20 лет. Поэтому противоречие между ограниченностью ресурсов и необходимым для нормального развития увеличением мощностей производства и связанное с этим расширение влияния технологии на окружающую среду становится одним из существенных факторов, требующих внимания и детального анализа.

Это противоречие является стимулом развития фундаментальных исследований, определяющих уровень современных технологических знаний, прежде всего в химической науке. Современная информация о молекулярных свойствах далека от совершенства. Для создания основ технологических процессов, не влияющих на окружающую среду, необходим качественный скачок в уровне наших знаний о способах конверсии вещества и энергии.

Представляется, что биогенизация технологии является одним из общих принципов дальнейшего развития способов конверсии вещества и энергии. Речь идет как о разработке систем на принципах замкнутых биологических циклов, в которых моделируются биопроцессы конверсии вещества и энергии, так и о непосредственном использовании биоматериалов. Первым существенным шагом явилась разработка гетерогенных катализаторов различных химических процессов на основе использования биологических катализаторов, ферментов, иммобилизованных на полимерных матрицах различной природы [6-9]. Развивающиеся на основе этих катализаторов технологические процессы используют в качестве сырья вещества биологического происхождения, при этом в продуктах производства принципиально не может быть вещества, не усваиваемых биосферой.

В последние несколько десятилетий весьма интенсивно исследуется природа и механизмы действия ферментов [10-16]. Ферменты - в высшей степени активные и селективные катализаторы. Уровень фундаментальных исследований ферментов как катализаторов химических реакций в настоящее время достаточно высок, многие черты ферментативного катализа в значительной степени поняты. Представления о физико-химических механизмах ускорения химических реакций с помощью ферментов - существенная составная часть современной науки о катализе в целом [10-17]. Важно, что ферменты становятся доступными катализаторами. Успехи современной микробиологии обеспечивают биосинтез ферментов практически для любой биохимической реакции.

В настоящее время на основе применения иммобилизованных ферментов в стадии развития находится ряд принципиально новых технологических процессов, таких как синтез аминокислот, антибиотиков, получение углеводов путем гидролиза крахмала и целлюлозы, активно используются ферменты в целях химического анализа и биомедицинской диагностики [6-9, 18-19].

Настоящая монография посвящена анализу процессов трансформации энергии биокаталитическими системами. Проблемы, связанные с исследованием превращений одних форм энергии в другие, всегда были и будут наиболее интересными и важными в науке.

Механизмы трансформации энергии биологическими системами весьма совершенны [20-22]. Биоэнергетика как наука о путях и механизмах трансформации энергии в живых системах интенсивно развивается в последние десятилетия [21].

В настоящее время сформировалось новое направление исследований, лежащее на границе между физической химией, биохимией, биоэнергетикой. Это направление можно назвать исследованием процессов биоконверсии энергии. Под биоконверсией энергии понимают способы трансформации одних форм энергии в другие на основе биологических принципов и биоматериалов.

В настоящее время активно развиваются несколько направлений в исследовании и разработке систем преобразования энергии на биологических принципах.

1. Преобразование солнечной энергии в энергию транспортабельного и экологически чистого топлива. Наиболее заманчивой в этом плане представляется идея использования механизма фотосинтеза для целей разложения воды на водород и кислород (биофотолиз воды).

2. Получение высококалорийных топлив из целлюлозосодержащего сырья. Речь идет о трансформации целлюлозы в спирт, метан, водород, углеводороды.

3. Трансформация энергии окисления топливных материалов непосредственно в электрическую. В биологических клетках в ряде случаев происходит весьма эффективная конверсия потока стабильных молекул в поток электронов и ионов. Примером служит электронно-транспортная цепь аэробного дыхания. На аналогичной основе могут быть созданы преобразователи химической энергии в электричество.

Таким образом, системы биоконверсии энергии имеют явно выраженную направленность на развитие принципиально новых технологических процессов трансформации энергии. Одни из этих систем в настоящее время уже достигли уровня технологического освоения. Например, в некоторых странах весьма активно эксплуатируются технологии получения из биомассы метана или топливного этилового спирта. Другие системы, направленные на преобразование солнечной энергии, находятся в стадии экспериментальных лабораторных исследований. Новые возможности открывает использование ферментов как катализаторов электродных процессов. Можно думать, что развитие этой области исследований способно привести к появлению принципиально новых путей сопряжения биосистем с энергетическими источниками. Системы биоконверсии энергии в настоящее время весьма заметно различаются по свойствам, уровню понимания протекающих в них процессов, приближению к технологическому освоению. Ряд проблем в исследовании систем биоконверсии энергии находятся в стадии зарождения и начального исследования.

Настоящая книга отражает современный уровень исследований в этой достаточно быстро развивающейся области. Фактически книга состоит из двух методологически различающихся частей. В главе I рассмотрены возможные перспективы развития приемлемых источников энергии и существующие или перспективные биотехнологические способы получения и конверсии топлив. Однако основное содержание книги посвящено анализу молекулярных аспектов действия биокаталитических систем конверсии энергии (главы II-IV). На современном этапе развитие систем биоконверсии энергии неразрывно связано с решением ряда фундаментальных проблем физико-химического характера. Физико-химический подход позволяет с единой количественной точки зрения рассматривать процессы различной природы и различной степени сложности. Соответственно, глава II посвящена анализу ферментов как кинетических элементов в системах конверсии энергии, глава III - проблемам трансформации световой энергии с помощью механизма фотосинтеза. В главе IV анализируются закономерности нового феномена - ускорения ферментами электрохимических реакций и связанные с этим проблемы конверсии энергии химических реакций в электрический потенциал.

Научное мировоззрение автора сформировалось под влиянием идей чл.-кор., профессора АН СССР И. В. Березина, которому автор выражает признательность и благодарность. Автор благодарит профессоров Е. Н. Кондратьеву, К. Мартинека, докт. хим. наук М. С. Сафонова, М. Р. Тарасевича, канд. биол. наук И. Н. Гоготова, плодотворные дискуссии с которыми в значительной степени способствовали успешному развитию исследований автора в изучении систем биоконверсии энергии.

Автор искренне благодарен С. О. Бачурину, Н. В. Каменской, С. В. Зайцеву, С. С. Зацепину, И. В. Осипову, Е. Е. Пинчуковой, Ю. В. Савину, Г. Ф. Судьиной, Ч. Д. Тоай, А. И. Ярополову, совместные научные результаты с которыми составили основу данной монографии.