Биофотолиз воды в системах микроорганизмов

Исследованы системы фотолиза воды с участием клеток микроорганизмов. Принципиальная схема процесса выглядит следующим образом:

(3.9)

После анаэробной адаптации клетки микроскопических водорослей начинают продуцировать водород. Это иллюстрирует рис. 34, на котором приведены данные по темновому выделению водорода клетками синезеленых водорослей Anabaena variabilis и зеленых Chlorella pyrenoidosa [460]. Блокированием биосинтеза белка антибиотиками было показано, что темновая адаптация клеток связана с биосинтезом водород-продуцирующего фермента.

Рис. 34. Выделение водорода на свету: 1 - культурами синезеленых микроводорослей Anabaena variabilis; 2 - зеленых микроводорослей Clorella pyrenoidosa

Как видно из рис. 34, общие выходы водорода в изученных системах весьма низки. Это связано, по-видимому, с невысокими концентрациями энергоемких метаболитов, из которых происходит образование водорода.

Принципиально новые возможности открывает использование для целей биофотолиза воды системы двух культур микроорганизмов [461]. Реакцию фоторазложения воды на водород и кислород можно провести на основе использования двух культур микроорганизмов - микроскопических водорослей и анаэробных продуцентов водорода. Несколько идеализированную схему процесса можно представить в виде:

(3.10)

(3.11)

Первая стадия процесса - реакция, которую эффективно проводят анаэробные микроорганизмы типа Clostridium (см. гл. I); вторая стадия - фотосинтез микроскопическими водорослями. Ацетат может служить источником углерода для микроскопических водорослей и включаться в метаболические циклы на уровне трикарбоновых кислот [462]. Суммарным процессом цикла является фотолиз воды

(3.12)

В такого рода системах возможно достижение предельных теоретических выходов конверсии энергии. Как следует из данных, приведенных в гл. I, стадия (3.10) приводит к образованию водорода с энергетическим выходом 20%. Однако свободная энергия образовавшегося углеродного метаболита используется на второй стадии реакции (3.11) для синтеза углевода. Таким образом, на получение молекулы кислорода теоретический расход квантов равен восьми.

Реакцию биофотолиза воды в культурах микроорганизмов иллюстрируют данные рис. 35, на котором приведена кинетика образования молекулярного водорода клетками Cl. butyricum при использовании в качестве источника углеводов продуктов метаболизма различных фотосинтезирующих микроскопических водорослей.

Рис. 35. Кинетика образования водорода Clostridium butyricum при использовании в качестве субстратов микроводорослей: 1 - Chlamydomonos girus; 2 - Onabaerta variobilis; 3 - Chlorella pyrenoidosa; 4 - Sceneolesmus obliquus; 5 - контрольный опыт в стерильной исходной среде роста микроводорослей; 6 - культуральная среда Anabaena variabilis; 7 - культуральная среда Chlamidomonas girus

Реакцию проводили в двух связанных между собой аппаратах: в фотосинтетическом реакторе, осуществляющем фотообразование кислорода, и ферменторе, в котором В анаэробных условиях протекает темновая реакция выделения водорода. Освещаемая площадь фотосинтетического реактора равна 0,5 м².

Была проведена предварительная оптимизация процесса. Данные по выходам водорода приведены в табл. 26.

Таблица 26. Выходы водорода в системе

Следует обратить внимание на следующие обстоятельства. 1). Образование водорода идет в определенной степени из метаболитов, выделяемых микроскопическими водорослями в культуральную среду. Из данных табл. 34 видно, что образование водорода может протекать в культуральной среде, не содержащей клеток микроводорослей. 2). Использование предварительной обработки клеток и культуральной среды микроводорослей ферментами целлюлозолитического комплекса намного увеличивает выход водорода. Это указывает на то, что субстратами клостридиальных клеток являются углеводы фотосинтезирующих микроорганизмов, находящиеся в исходном состоянии в полисахаридной форме.

В настоящее время продемонстрирована лишь принципиальная возможность осуществления реакции биофотолиза воды при использовании культур микроорганизмов. Детальное изучение и оптимизация процесса требуют большого комплексного исследования с привлечением в основном данных микробиологического и физиолого-биохимического характера. Наиболее важны исследования широкого круга пар микроорганизмов, способных симбиотически осуществлять процессы по схеме (3.10-3.11), изучение механизмов регуляции метаболических путей, приводящих к образованию нужных промежуточных метаболитов, оптимизация процесса по pH, температуре, скоростям роста микроорганизмов. Однако можно думать, что проведение необходимых научно-исследовательских разработок в этой области позволит технологически оптимизировать данный процесс и вывести его на уровень промышленного использования, обеспечивающего преобразование солнечной энергии с получением энергоемкого, транспортабельного и экологически чистого топлива.