Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
улучшения экономических показателей могло бы стать уменьшение времени
удержания, нужного для эффективной переработки нерастворимых компонентов.
Для этого следует в первую очередь улучшить способы подготовки сырья.
Энергия и биотехнология
79
2.6. Бесклеточные системы
Одна из привлекательных возможностей, предоставляемых технологией
"солнечной энергетики", заключается в использовании целых организмов как
биологических катализаторов при производстве аммиака и водорода за счет
солнечной энергии. Опыты с цианобактериями (сине-зелеными водорослями) и
зелеными водорослями показали, что они способны образовывать водород и
кислород путем прямого фотолиза воды. Лежащий в основе этого явления
процесс фотосинтеза сформировался в результате генно-инженерной
деятельности Природы. Фотосинтезирующие бактерии неспособны разлагать
воду, но могут на свету образовывать большие количества водорода (без
примесей кислорода) или аммиака. Для этого им нужны только простые
органические и неорганические субстраты. Такие вещества содержатся в
промышленных отходах, и поэтому превращение солнечной энергии
фотосинтезирующими бактериями вполне может быть сопряже-яо с переработкой
отходов.
В ряде лабораторий ведутся на молекулярном уровне исследования различных
процессов образования водорода, а также механизмов реакции расщепления
воды. В образовании водорода принимают участие гидрогеназа и нитрогеназа.
Сегодня активно изучаются свойства этих ферментов из разных организмов, в
частности механизмы регуляции их синтеза и активности, а также
стабильность в присутствии кислорода. Предметом важных исследований
является также образование восстановительных эквивалентов и поток
электронов к этим ферментам, которые при определенных условиях служат
факторами, лимитирующими активность. Эти опыты позволят понять суть
указанных процессов и попытаться оптимизировать выделение водорода
имеющимися в нашем распоряжении генетически охарактеризованными
организмами. Ряд исследователей-генетиков занят отбором мутантов с
повышенной способностью к образованию водорода или аммиака. Примерами
удачного применения методов генетической инженерии для создания ферментов
с желаемыми свойствами может быть получение устойчивой к кислороду
гидрогеназы. Удалось повысить содержание гидрогеназ в клетках и получить
микроорганизмы, способные выделять фиксированный ими азот в окружающую
среду в форме амми-•ака.
В ходе первых исследований была отчасти выяснена физиологическая и
биохимическая основа процессов образования Нг и NH3 у фотосинтезирующих
организмов, определены условия, необходимые для максимального проявления
этой способности. В будущем на основе результатов опытов с целыми
клетками мы сможем подобрать условия для максимального и долговре-
80
Глава 2
менного образования Нг и NH3, оценить техническую возможность создания
лабораторных реакторов с иммобилизованными клетками фотосинтезирующих
организмов.
2.6.1. Комбинированные системы, образующие водород
Около десяти лет назад в области исследований возобновляемых источников
энергии было сделано замечательное открытие. Было показано, что если
взять мембраны, содержащие хлорофилл, и добавить к окружающему раствору
ферменты, действующие как катализаторы, то на свету будет происходить
разложение воды (фотолиз) на водород и кислород (рис. 2.6). Это открытие
Рис. 2.6. Схема сопряжения процессов поглощения солнечной энергии и
образования водорода на основе стабилизированных хлоропластных мембран и
гид-рогеназных ферментов (Hall, 1982).
было первым шагом на пути к созданию фотореактора, при помощи которого
энергия Солнца может запасаться в ценном топливе- водороде. Фотохимики и
фотобиологи проявляют большой интерес к этим исследованиям, поскольку
получение "солнечного водорода" из воды открывает новые перспективы в
энергетике. Процессу фотолиза присущ ряд особенностей, которых нет у
каких-либо других систем преобразования энергии. Субстратом в нем
является обычная вода, источником энергии с неограниченным запасом -
солнечный свет, а продуктом - водород. Его просто хранить, он не
загрязняет окружающую среду. Процесс этот циклический, поскольку при
потреблении водорода регенерируется субстрат--вода. Система
привлекательна и тем, что она работает при обычной температуре; в ней не
образуются токсичные промежуточные соединения.
Задача создания стабильной биологической системы, способной работать
многие годы, а не часы, чрезвычайно сложна и, быть может, нерешаема. Если
бы мы смогли понять суть биологических процессов, нам, возможно, удалось
бы их имитиро-
Энергия и биотехнология
81
вать путем создания полной системы синтеза. Такие системы могли бы
использовать свет любой интенсивности в широком диапазоне температур и
этим напоминали бы производящие электроэнергию солнечные батареи. Надо
сказать, что фотобио-логический способ производства водорода не вышел еще
из стен лабораторий. Целесообразность его дальнейшего развития только
