Выделять водород способны также многие другие строго или факультативно анаэробные микроорганизмы [163].
Микроорганизмы из субстратов различной химической природы способны выделять разное количество водорода. При этом образование водорода может идти из соединений углеводного характера, включая крахмал и целлюлозу, из амино- и кетокислот. В табл. 11 приведены количества водорода в молях, выделяющегося при конверсии одного моля субстрата, и вычисленные на основе этих данных коэффициенты преобразования энергии (использованы данные работ [163, 166, 167]).
Таблица 11. Коэффициенты преобразования энергии некоторыми водородпродуцирующими микроорганизмами [162]
КПД преобразования энергии рассчитывался по уравнению
(1.3)
где ΔGH20′ - свободная энергия окисления кислородом выделившегося водорода; ΔGS0′ - свободная энергия окисления кислородом субстрата. При вычислении свободных энергий окисления использовали термодинамические данные, приведенные в работе [164]
(1.4)
Из таблицы 11 видно, что коэффициенты преобразования энергии в обычных условиях проведения процесса не превышают 20%.
Известно несколько метаболических путей образования водорода. Одна из возможностей, которая реализуется у факультативных анаэробов, например Е. coli, связана с разложением формиата под действием ферментативного комплекса формиатгидрогенлиазы [168]
(1.5)
Формиат обычно образуется из пировиноградной кислоты [165, 169]. Второй возможный путь связан с дегидрогенизацией НАДН или НАДФН [170-173]. Механизм такого рода обнаружен при исследовании бесклеточных препаратов C. kluyveri, также у ряда других бактерий
(1.6)
Наиболее изучен метаболизм строгих анаэробов, выделение водорода у которых исследовано в работах [165, 169, 171, 176]. Конверсия глюкозы клетками некоторых клостридиев протекает в значительной степени с образованием уксусной и масляной кислот, СО2 и водорода [177, 178]. Материальный баланс в системе глюкоза-кислоты-водород-СO2 в первом приближении может быть представлен уравнением [167]
(1.7)
Предполагается, что процессы образования масляной и уксусной кислот протекают параллельно и пути метаболизма имеют разветвления [164]. В целом стехиометрия процесса может быть представлена суммой двух реакций:
Схема метаболизма при образовании водорода в C. pasteurianum представлена на рис. 8 [164]. Выделение водорода в этом случае идет через восстановленную форму НАДН, которая образуется НАД - специфической глицеральдегидфосфатдегидрогеназой. Термодинамические аспекты образования водорода из НАДН в микробных системах рассмотрены в работах [178, 179].
Рис. 8. Схема метаболизма при образовании водорода клетками Clostridium [164]
На основе данных о метаболизме глюкозы при брожении, вызываемом клостридиями, представляет интерес вычислить коэффициенты преобразования энергии. Предельный КПД конверсии может быть получен, если расщепление глюкозы протекает по уравнению
В этом случае 99% энергии конвертировано в водородную форму.
Но процесс протекает по уравнениям (1.7) и (1.8). Соответственно выход водорода существенно ниже. При образовании ацетата на моль глюкозы образуется 4 моля водорода. Это предельная величина, которая наблюдалась экспериментально [180, 181]. Образование 4 молей водорода соответствует 33% степени конверсии энергии. В случае процесса, направленного на образование бутирата (схема 1.8, 2 моля Н2), КПД преобразования равен 16,7%. Это определяется тем, что значительная энергия остается в алифатических кислотах. Таким образом, основная проблема при создании систем конверсии энергии биомассы в водород связана с превращением этих метаболитов в топливную форму. В этом плане работа может быть направлена как в сторону дальнейшего диспропорционирования и превращения их в водород, так и в сторону конверсии кислот в приемлемое углеводородное топливо.
Терминальными ферментами образования водорода у хемотрофных микроорганизмов являются гидрогеназы, которые известны давно. Однако в последние годы общенаучный и практический интерес к ферментам, осуществляющим образование водорода, заметно вырос. Этот интерес обусловлен исследованием физико-химического механизма действия ферментов, созданием гетерогенных катализаторов гидрогенизации - дегидрогенизации, в том числе для топливных элементов, особенностями действия этого класса ферментов в процессе образования или поглощения молекулярного водорода микроорганизмами. Молекулярные аспекты катализа гидрогеназами детально рассмотрены ниже.