Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




предыдущая главасодержаниеследующая глава

2. Выделение молекулярного водорода микроскопическими водорослями

Важный природный феномен, который представляет большой интерес с точки зрения конверсии энергии, был обнаружен в 1942 г. Гаффроном и Рубиным [148]. При адаптации в темноте в анаэробных условиях в течение нескольких часов клетки Scetiedesmus obligenes при освещении начинают активно выделять водород. При этом общее количество выделившегося водорода в 10 раз превышает количество водорода, которое может образовываться в темноте. Поскольку микроскопические водоросли на свету способны продуцировать молекулярный кислород, представляется принципиальная возможность использовать механизм фотосинтеза для осуществления реакции биофотолиза воды с преобразованием световой энергии в топливную форму

2О → 2Н2 + О2. (1.1)

Предельное теоретическое значение КПД преобразования солнечной энергии в системах получения водорода фотосинтетическим путем 35% по фотосинтетически активной радиации (15% по всему солнечному спектру) [149, 150].

В последующие десятилетия феномен образования водорода микроскопическими водорослями детально исследовался в ряде лабораторий. Обсуждение современного состояния этого вопроса дано в обзорных работах [151-153].

В целом выделение водорода микроводорослями характеризуется рядом особенностей. Образование молекулярного водорода у всех исследованных организмов протекает после определенного периода адаптации клеток в темноте в атмосфере инертного газа [154, 155]. В течение периода адаптации происходит активация гидрогеназы - терминального фермента, участвующего в образовании водорода. Возможен также дополнительный биосинтез фермента [156]. Зеленые микроводоросли способны выделять водород в темноте и на свету, однако на свету более интенсивно [157-161]. Насыщение "фотосинтеза водорода" происходит при существенно более низких интенсивностях света, чем поглощение СО2 и образование кислорода (300-5000 люкс) [160, 161]. Исследование кинетики фотовыделения водорода клетками Scenedesmus obligenes показало, что процесс имеет по крайней мере двухстадийный характер [162]. Наблюдаемое в начальный момент времени достаточно интенсивное выделение водорода меняется на сравнительно мало интенсивный стационарный процесс. Это наблюдение можно объяснить [162] наличием в первоначальный момент определенных количеств донора электронов, который быстро истощается в процессе реакции. При этом происходит смена лимитирующей стадии, стационарное выделение водорода определяется более медленным процессом образования этого донора, например в цикле Кребса. Добавление глюкозы или ацетата существенно стимулирует процесс фотообразования водорода (на 1 М глюкозы образуется 0,5 М Н2). Фотовыделение водорода на свету и в темноте сопровождается образованием углекислого газа [148, 157, 151]. Присутствие в газовой фазе значительных количеств углекислого газа, кислорода или водорода ингибирует процесс фотообразования водорода [148].

Важным является то обстоятельство, что процессы образования водорода и кислорода конкурируют друг с другом [151]. Культура Chlorella pyrenoidosa, адаптированная в анаэробных условиях при низких интенсивностях света, выделяет только водород. С увеличением интенсивности света уменьшается выделение водорода, затем регистрируется образование кислорода; переход выделения от кислорода к водороду обратим. Существует точка в значении интенсивности света, при которой отсутствует выделение как водорода, так и кислорода. Однако одновременное эффективное выделение кислорода и водорода наблюдать не удается [151].

В целом в клетках зеленых микроводорослей может протекать целый ряд реакций [162].



Протекание всей этой совокупности процессов с учетом регуляторных взаимодействий и обеспечивает достаточно сложную картину эффектов, описанную выше. Предполагается при фотообразовании водорода участие электронно-транспортной цепи фотосинтеза. Принципиальным вопросом при фотообразовании водорода в клетках микроводорослей является вопрос о доноре электронов в электронно-транспортную цепь. При условии, что донором электронов является вода на уровне фотосистемы II, можно было бы ожидать стехиометрического разложения воды на водород и кислород и осуществления реакции ее биофотолиза (схема I.I). Один из подходов к выяснению этого вопроса заключается в использовании ингибиторов, специфически блокирующих различные участки электронно-транспортной цепи. Классический ингибитор фотосистемы II диурон (рис. 7) даже при высоких концентрациях ингибирует реакцию фотовыделения водорода не полностью [151, 152]. (При этом полностью блокирует электронный транспорт на уровне фотосистемы II.)

Рис. 7. Схема возможных путей фотообразования молекулярного водорода микроводорослями [151, 153]
Рис. 7. Схема возможных путей фотообразования молекулярного водорода микроводорослями [151, 153]

Это указывает на то, что определенная часть водорода образуется без участия фотосистемы II, и донирование электронов происходит на уровне фотосистемы 1. В зависимости от вида водорослей степень участия фотосистемы II может варьироваться (табл. 10).

Таблица 10. Участие фотосистемы II в световом выделении молекулярного водорода водорослями (данные работы [162])
Таблица 10. Участие фотосистемы II в световом выделении молекулярного водорода водорослями (данные работы [162])

Таким образом, около половины фотообразовавшегося водорода возникает с участием фотосистемы II, донором которой является вода, другая половина образуется при донировании электронов в электронно-транспортную цепь фотосистемы I. В целом схему возможных путей фотообразования молекулярного водорода иллюстрирует рис. 7 [151, 153], где D - восстановленные органические соединения - доноры электронов.

Практическое использование феномена фотовыделения водорода макроскопическими водорослями для конверсии световой энергии в настоящее время еще не реализовано. Это связана с тем, что эффективность выделения водорода в стационарном режиме достаточно мала. Возможно, дальнейшее исследование, оптимизация и увеличение эффективности процесса создадут условия технологической эксплуатации этого явления.

предыдущая главасодержаниеследующая глава



ИНТЕРЕСНО:

Биохимической реакцией будут управлять с помощью света

Новый композитный материал позволит получать чистый водород из метана

Новое соединение вольфрама и бора станет материалом рекордной твердости

Японские химики синтезировали «нано-Сатурн»

Учёные создали «невозможные» нитриды простым способом

Искусственный интеллект научили составлять молекулы

Ученые научились наблюдать за сверхбыстрыми химическими процессами

Почему на Западе периодическую таблицу никак не связывают с именем Менделеева

Люминесцентные наночастицы открыли новый этап в истории дактилоскопии

Нобелевская премия по химии присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'