Энергия будущего: фотосинтетический водород из бактерий

Переход от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии является одной из важнейших глобальных проблем XXI века. Чтобы достичь согласованной на международном уровне с целью ограничения глобального потепления максимум до 1,5 градусов, международное сообщество должно резко сократить глобальный выброс CO2-выбросы. Хотя Германия долгое время считалась пионером в этом энергетическом переходе, широкомасштабный переход к возобновляемым источникам энергии в энергетическом секторе все еще остается здесь будущим сценарием.

В данном отношении водород может сыграть важную роль в будущем как перспективный, потенциально климатически нейтральный источник энергии. Используемый в топливных элементах, он обеспечивает энергию для различных применений и производит воду только как отходы.

В настоящее время водород в основном получается в результате электролиза воды – и этот процесс изначально требует затрат энергии, которая до сих пор в основном поступала из ископаемого топлива. Климатически нейтральная водородная экономика, то есть использование так называемого зеленого водорода, требует, чтобы производство водорода основывалось исключительно на возобновляемых источниках энергии. Исследователи пытаются использовать такой устойчивый источник энергии, например, с помощью фотосинтеза.

С тех пор фотосинтез обеспечивает человечество энергией солнечного света, как в форме пищи, так и в виде ископаемого топлива. В обоих случаях солнечная энергия первоначально сохраняется в углеродистых соединениях, таких как сахар. Если эти соединения углерода эксплуатируются, СО2 освобожден. Фотосинтетическая фиксация CO2, по существу, обращена вспять, чтобы восстановить солнечную энергию из соединений углерода.

В Кильском университете младшая исследовательская группа “Биоэнергетика в фотоавтотрофах” в Ботаническом институте исследует, как этого углеродного цикла и связанных с ним выбросов CO2 можно избежать во время энергосбережения. “Для этой цели хранение солнечной энергии непосредственно в форме водорода является особенно перспективным – это не создает CO2 и эффективность очень высока благодаря прямому преобразованию”, – говорит доктор Гутекунст, чтобы объяснить свой исследовательский подход. Со своей командой она исследует конкретную цианобактерию: посредством фотосинтеза она может производить солнечный водород в течение нескольких минут, который впоследствии полностью расходуется клеткой.

В своем текущем исследовании исследователи из Киля описывают, как этот механизм мог бы потенциально использоваться для биотехнологических применений в будущем: они смогли соединить специфический фермент живых цианобактерий, так называемую гидрогеназу, с фотосинтезом в таких условиях, способом, которым бактерия производит солнечный водород в течение длительных периодов времени и не потребляет его. Ученые опубликовали свои результаты сегодня в известном научном журнале Nature Energy.

Цианобактерии как водородные заводы

Как и все зеленые растения, цианобактерии способны выполнять фотосинтез. Во время этого процесса солнечная энергия используется для расщепления воды и химического хранения солнечной энергии, особенно в форме сахара. Электроны проходят через так называемые фотосистемы, в которых они подвергаются каскаду реакций, которые в конечном итоге приводят к образованию универсального энергоносителя аденозинтрифосфата (АТФ) и так называемых восстанавливающих эквивалентов (НАДФН). ATP и NADPH впоследствии необходимы для установки CO2 для производства сахара. Таким образом, электроны, необходимые для производства водорода, обычно являются частью метаболических процессов, которые обеспечивают цианобактерии запасенной энергией в форме сахара. Исследовательская группа в Киле разработала подход, направленный на перенаправление этих электронов и стимулирование метаболизма живых организмов, чтобы в первую очередь вырабатывать водород.

“Цианобактерия, которую мы исследуем, использует фермент, так называемую гидрогеназу, для производства водорода из протонов и электронов”, – говорит Гутекунст, которая также является членом исследовательской сети Kiel Plant Center (KPC) в Кильском университете. – “Электроны, используемые в этом процессе, происходят из фотосинтеза. Нам удалось объединить гидрогеназу с так называемой фотосистемой таким образом, что электроны в основном используются для производства водорода, в то время как нормальный метаболизм продолжает в меньшей степени”. – продолжает Гутекунст. Таким образом, модифицированная цианобактерия производит значительно больше солнечного водорода, чем в предыдущих экспериментах.

Способность восстанавливать себя

Подобные подходы для получения водорода с использованием слияний гидрогеназы и фотосистемы уже существовали ранее, т.е. вне живых клеток в пробирках или на поверхностях электродов в фотоэлектрических элементах. Однако проблема с этими искусственными подходами заключается в том, что они обычно недолговечны. Слияние гидрогеназы и фотосистемы должно быть кропотливо воссоздано снова и снова. Напротив, путь, по которому идет исследовательская группа в Киле, имеет главное преимущество – потенциально функционировать бесконечно.

“Метаболизм живых цианобактерий восстанавливает и умножает слияние гидрогеназы и фотосистемы и передает ее новым клеткам во время клеточного деления, так что в принципе процесс может продолжаться постоянно”, – подчеркивает руководитель проекта Гутекунст. – “С нашим подходом “in vivo”, нам впервые удалось получить солнечный водород с помощью слияния гидрогеназы и фотосистемы в живой клетке”, – продолжает она.

Одной из актуальных проблем является тот факт, что гидрогеназа дезактивируется в присутствии кислорода. “Нормальный” фотосинтез, который продолжается в живых клетках, во время которого кислород выделяется при расщеплении воды, таким образом, тормозит выработку водорода. Чтобы удалить кислород или, более конкретно, минимизировать высвобождаемое количество, цианобактерии для производства водорода в настоящее время частично переключаются на так называемый аноксигенный фотосинтез. Это не основано на расщеплении воды. Поэтому электроны для производства водорода в настоящее время частично происходят из-за расщепления воды и частично из других источников. Но долгосрочная цель исследовательских групп в Киле – использовать только электроны от расщепления воды для производства водорода.

Концепции для энергии будущего

В целом, новый подход in vivo предлагает многообещающую новую перспективу для установления расщепления фотосинтетической воды в качестве средства производства нейтрального для климата зеленого водорода и, таким образом, продвижения производства устойчивой энергии. В среднесрочной перспективе дальнейшие исследования метаболических путей цианобактерий в группе Гутекунста особенно направлены на дальнейшее повышение эффективности производства солнечного водорода.

“Результаты исследований нашего коллеги являются отличным примером того, как фундаментальные исследования растений и микроорганизмов могут способствовать решению социальных проблем”, – подчеркивает представитель KPC профессор Ева Стукенброк. – “Таким образом, мы вносим важный вклад в Киль в развитие устойчивого экономичного водорода, как жизнеспособной альтернативы для надежного энергоснабжения будущего”.

По материалам Techxplore