7. Перспективы практического использования биоэлектрокатализа

Возможности применения ферментативных электрокаталитических эффектов достаточно привлекательны. Ферменты как катализаторы электронного транспорта перспективны в электрохимических элементах, осуществляющих преобразование химической энергии в электрическую. Попытки создания такого рода систем известны. Например, в работах [557, 558] анализируются свойства анода на основе иммобилизованной на платину глюкозооксидазы. Топливный элемент, использующий в качестве топлива глюкозу, а в качестве окислителя - кислород, растворенный в крови, предполагается использовать для электростимуляции сердечной деятельности [559].

Развитие биохимических топливных элементов может происходить, по-видимому, в двух направлениях [525]: а) использование способности ферментов осуществлять окисление различного рода органических субстратов (спирты, углеводы); это позволяет надеяться разработать электрокатализаторы, окисляющие в топливном режиме органические топлива; б) создание электрохимических преобразователей с высокими удельными характеристиками. Эффективность ферментов как катализаторов при решении ряда макрокинетических вопросов достаточна для реализации высоких скоростей реакции и высоких удельных мощностей систем.

Ферменты и переносчики электронов являются в достаточной степени эффективными катализаторами процессов электронного транспорта. Статистический анализ констант скоростей различных окислительно-восстановительных процессов, катализируемых ферментами, показывает, что достаточно распространены процессы с k_кат около 5⋅10² с^-1 (см. гл. II). В соответствии с этим в ферментных системах могут быть реализованы весьма высокие скорости реакций. Если, например, в систему введен фермент в концентрации 2⋅10^-3 М (это высокая, но вполне достижимая концентрация), при "насыщении" фермента субстратом ([S₀] >> K_М) скорость процесса будет равна 1 моль/л⋅с. Эта скорость электронотранспортных процессов соответствует "микротокам" общей величины 10⁵ А/л. Если при этом удалось бы осуществить процесс в кинетическом режиме и генерировать электрохимический потенциал на двух электродах разностью потенциалов в один вольт, общая мощность такого преобразователя энергии соответствовала бы 100 кВт/л. Это очень большая величина, достижение 1% от этой величины явилось бы существенным вкладом в развитие теории и практики разработки преобразователей энергии. Полученные оценки предельных мощностей ферментных электрохимических преобразователей являются одним из стимулов развития работ в области биоэлектрокатализа.

Перспективным представляется исследование биоэлектрокатализа гидрогеназами, системами ферментов, окисляющими метан и метанол, глюкозооксидазой, дегидрогеназами различных кислот, альдегидов, спиртов; для разработки биокатода важно исследование ферментов, активирующих молекулярный кислород.

Решение технической задачи крупномасштабного получения окислительно-восстановительных ферментов создаст основу широкого их использования в системах конверсии энергии химических реакций непосредственно в электричество.

Электрокаталитические эффекты могут оказаться весьма полезными при решении проблемы фотолиза воды видимым светом на основе биологических принципов и биологических объектов. При этом могут быть созданы как фотоэлектрохимические преобразователи, так и системы фоторазложения воды на водород и кислород.

Высокая специфичность ферментов позволяет разрабатывать специфические детекторы на различного рода соединения для целей количественного анализа. В настоящее время в датчиках детекция ведется путем регистрации появления или исчезновения какого-либо электрохимически активного соединения (кислорода, перекиси водорода, ионов водорода). Использование непосредственно биоэлектрокаталитических эффектов на основе прямого переноса электронов активный центр фермента - электрод может существенно упростить создание биоэлектрохимических систем и придать датчикам в силу высоких скоростей ферментативных реакций в высшей степени миниатюрный характер.

Интересна реализация электросинтетических возможностей иммобилизованных ферментов. При создании обратимых электродов на основе иммобилизованных ферментов представляется возможным решить проблему специфического электросинтеза. Синтез ряда соединений, протекающий с затратой энергии (углеводов, аминокислот, стероидов), в ряде случаев может быть решен с использованием иммобилизованных ферментов и электроэнергии.

Как следует из анализа, данного в гл. I, развитие атомной промышленности может создать основы использования электроэнергии для целей химического синтеза, при этом биоэлектрокаталитические эффекты могут сыграть важную роль.

Сопряжение электродных и ферментативных процессов открывает весьма интересные возможности электросинтеза in vivo. Проведение ферментативных электросинтетических процессов

(4.70)

(4.71)

в принципе позволяет надеяться реализовать системы анаэробного дыхания и электропитания живых организмов, замкнуть энергетику метаболитических циклов на электроэнергию.