Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
предстоит доказать в ходе многоплановых исследований. Впрочем, наши
представления о возможностях использования этой системы в практике могут
быстро измениться: достаточно будет и одного крупного открытия при
изучении фотобиологиче-ских и фотохимических реакций разложения воды.
Несмотря на успешные опыты по стабилизации мембран хло-ропластов (для
этого применялась иммобилизация ферментов и закрепление их в пленках
альгинатного геля и полиуретановых матрицах), они вряд ли войдут как
составная часть в промышленные системы по улавливанию солнечной энергии.
Тем не менее результаты изучения состава хлоропластов и обмена веществ в
них могут послужить основой для создания таких систем. Чего же мы можем
ожидать от исследований в этой области? В реакциях фотолиза воды в
мембранах хлоропластов,, идущих при участии фотосистемы II, принимает
участие комплекс белков с хлорофиллом и магнием. Сегодня нам мало что.
известно и о расположении в нем ионов магния, и о механизмах фотолиза
воды в растениях.
Для практических целей может оказаться необходимым отделить активируемую
светом стадию фотосинтеза, на которой образуется кислород, от стадии
темновых реакций, где выделяется водород. Одностадийная система будет
продуцировать смесь кислорода и водорода, и их улавливание и разделение
со всей площади коллектора солнечной энергии могут оказаться
невыполнимыми. Но можно представить себе и двухстадийный процесс, на
первом этапе которого будет функционировать фотока-талитическая система,
в которой образуются неокисляемый переносчик и кислород. Кислород можно
улавливать, а образовавшийся переносчик водорода будет использоваться на
второй стадии, когда осуществляется темновая реакция образования
водорода. Вслед за этим переносчик направляется обратно в первый' отсек
установки, восстанавливается там в ходе световой реакции и может
использоваться для повторного цикла реакций.
Переломный момент в проводимых сегодня исследованиях наступит, когда
удастся разработать эффективную стабильную систему, имитирующую
фотосистему II мембран хлоропластов, т. е. процесс, в ходе которого вода
разлагается на кислород и водород с образованием протонов и
восстановительных эквивалентов. Со вторым этапом, связанным с выделением
водорода в системе, ситуация, видимо, обстоит проще, поскольку в нашем;
"2
Глава 2
распоряжении есть большой выбор необходимых переносчиков электронов и
катализаторов образования водорода. Отметим, однако, что чувствительность
многих этих веществ к кислороду ограничивает возможность их применения.
Очень важно отыс-жать соединение, которое могло бы выполнять функции
гидроге-назы, т. е. служить кислородоустойчивым редокс- и протонным
переносчиком.
Остановимся теперь на водородном фотореакторе. Если бы нам удалось
обойтись без реакции расщепления воды и просто ¦использовать
восстановленные соединения, например аскорбиновую кислоту, сульфид
натрия, ЭДТА или дитионит в качестве доноров электронов, то можно было бы
без труда получить стабильную систему, интенсивно образующую водород. В
роли -фотокатализатора в ней мог бы выступить какой-нибудь пигмент
(например, флавин или даже стабильная фотосистема I мембран
хлоропластов), а в роли переносчиков протонов иэлек-тронов - красители,
гидрогеназа или платина. Можно использовать для этого стабильные ферменты
и иммобилизованные системы. Уже созданы небольшие фотореакторы, в которых
при надлежащих условиях образование водорода идет с высокой скоростью, до
нескольких литров Нг в минуту.
Не так-то просто будет получить искусственные мембраны для замены
нестабильных биологических прототипов, но исследования в этом направлении
уже ведутся. Делаются попытки применить для этой цели различные решетки с
набухающим слоем, силикаты глин (монтмориллониты и гекториты). Последние,
как известно, способны образовывать стабильные интерка-ляционные
соединения с разнообразными ионными комплексами и полярными молекулами,
например с водой.
.2.6.2. Электроэнергия
Одним из интересных аспектов общей проблемы улавливания солнечной энергии
является использование компонентов биологических мембран для генерации
электропотенциалов. Таким путем можно попытаться создать солнечную
батарею. Так, в липидные пузырьки или в стопку липидных мембран,
содержащих некоторые красители, можно встроить фотосистему пурпурных
бактерий и один из белков мембран Halobacterium. Всю эту систему можно
поместить на подложку - нитроцеллюлозный фильтр и установить его между
двумя отсеками сосуда. При освещении фильтра возникает разность
потенциалов. Такую систему можно использовать и для перемещения ионов
(например, Na+) и тем самым для обессоливания. Подобные фотоэлектрические
эффекты уже наблюдались, но сопротивление при этом было слишком велико
для получения достаточно большой силы тока.
Энергия и биотехнология
83
Недавно было сконструировано устройство, в котором мембраны хлоропластов
использовались в составе фотогальваниче-ского элемента для генерирования
