Получение молекулярного водорода

      Комментарии к записи Получение молекулярного водорода отключены

Молекулярный водород считается наиболее перспективным видом топлива. По энергоемкости (в расчете па единицу массы) он превосходит все другие соединения, которые можно использовать в этих целях. Его сжигание не сопровождается загрязнением среды большим количеством вредных веществ и, более того, ведет к регенерации воды. Водород может храниться, транспортироваться и легко преобразуется в электроэнергию с помощью топливных элементов.

К числу хемотрофов, образующих в значительном количестве молекулярный водород, относится прежде всего ряд облигатпых и факультативных анаэробных бактерий. Кроме того, Н2 выделяют некоторые простейшие (главным образом из числа трипаиозом), растущие в анаэробных условиях. Показана также возможность его образования азотфиксирующими аэробами, например, азотобактером.

В наибольшем количестве молекулярный водород выделяют бактерии, осуществляющие брожение разных органических веществ, но чаще всего углеводов.

К числу особенно активных продуцентов Н2 относятся отдельные виды клостридий (например, Clostridium butyricum, С. perfringens), эитеробактерий (Escherichia coli, Citrobacter freundii), Raminococcus и некоторых других родов. Из фототрофиых организмов ими являются многие пурпурные бактерии, циапобактерии и ряд водорослей. Среди последних — не только микро-, по и макроформы. Есть данные о выделении в небольшом количестве Н2 и высшими растениями.

Пурпурные бактерии осуществляют так называемый аиоксигеи-иый фотосинтез (фотосинтез без выделения молекулярного кислорода). Объясняется это тем, что они не могут использовать воду при фотоассимиляции С02 и в других конструктивных процессах в качестве исходного донора электронов; такую функцию у них выполняют сульфид, сера, тиосульфат, органические вещества или Н2.

Анаэробное окисление многими пурпурными бактериями органических веществ и неорганических соединений серы в определенных условиях ведет к образованию ими Н2. Особенно в большом количестве эти микроорганизмы выделяют его в присутствии света. Поэтому данный процесс часто называют фотовыделеиием водорода. В отли-

чие от образования Н2 при брожении его фотовыделение пурпурными бактериями катализирует обычно не гидрогеназа, а нитрогеназа — фермент, главная функция которого заключается в превращении N2 в аммиак. Но даже при наличии N2 часть электронов, поступающих к питрогеназе, расходуется на восстановление протонов, что ведет к выделению Н2.

Среди цианобактерий также обнаружены штаммы, выделяющие при наличии света Н2 в довольно большом количестве и со значительной скоростью (30 — 40 мл • ч-1 • г-1 сухой биомассы). К таким организмам относятся в основном нитчатые формы, образующие особые клетки — гетероцисты (например, Anabaena cylindrica, A. variabilis, Mastigocladus thermophilus, M. laminosus).

Продуцирование Н2 чаще всего отмечается у суспензий клеток, причем может продолжаться 30 сут и более. Такую же способность проявляют иммобилизованные клетки микроорганизмов. В отличие от пурпурных бактерий для образования молекулярного водорода цианобактериями ие требуется каких-либо экзогенных доноров электронов, кроме воды. Важно также, что нитчатые формы бактерий, формирующие гетероцисты, и некоторые одноклеточные виды способны выделять Н2 ие только в анаэробных, но и в аэробных условиях.

Более перспективны в данном отношении цианобактерий, поскольку выделение ими Н2 связано с биофотолизом воды, которая пока остается наиболее дешевым и доступным субстратом. Не прекращаются работы и с водорослями, так как они также способны продуцировать водород при разложении воды. Предлагается, кроме того, использовать комплексные системы, образующие Н2, в которые входят разные фототрофы или фототрофы и хемотрофы.

Показана также принципиальная возможность получения молекулярного водорода из воды с помощью хлоропластов при добавлении к ним гидрогеназы и некоторых других компонентов, хотя скорость его выделения и стабильность такой системы невелики. Но исследование образования Н2 подобными модельными системами может помочь созданию аналогичных искусственных катализаторов для преобразования солнечной энергии в молекулярный водород.

Таким образом, хотя микробиологический способ получения молекулярного водорода еще не реализован, работы в данном направлении развиваются и аспекты исследований водородобразующих видов микроорганизмов достаточно широки.

Биотопливные элементы

На уровне поисковых разработок находятся биотопливные элементы, превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут служить такие элементы па основе окисления метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидроге-назы, муравьиной кислоты в С02 с участием формиатдегидрогеназы,

глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также каталитическую активность целых клеток, например Е. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления глюкозы.

Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). Посредником между ними выступает биокатализатор. Существует два пути дальнейшей передачи электронов на анод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный их транспорт на электрод. Конструкция биотопливного элемента не только позволяет генерировать электрический ток, но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный элемент с глюкозооксидазой и (3-?)-фруктофура-нидазой переводит сахарозу в смесь фруктозы и глюконовой кислоты.

Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они представляют собой основной компонент биологических датчиков — биосенсоров, широко применяемых в химической промышленности, медицине, при контроле за биотехнологическими процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода. Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают чувствительный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина, клеток Е. coli на кислородном электроде — биосенсор для измерения концентрации глутаминовой кислоты, а клеток Nitrosomonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH4. На биосенсоре протекают следующие превращения:

Nitrosomonas „ Nitrobacter _

NH4+————NO2NO3

Разработаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.

6.6. БИОГЕОТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ

Биогеотехнология металлов — это наука об извлечении металлов из руд, концентратов, горных пород и растворов под воздействием микроорганизмов или их метаболитов при нормальном давлении и температуре. Составными ее частями являются: 1) биогидрометаллургия, или бактериальное выщелачивание металлов; 2) обогащение руд; 3) биосорбция металлов из растворов.

Дополнительные материалы:

Концентрация молекулярного водорода в воде. 1,5ppm


Похожие статьи:

  • Фиксация молекулярного азота

    Химический и биологический пути связывания молекулярного азота. В природе существуют два пути превращения NО2 в доступную растениям форму. Это химическая…

  • Молекулярные и клеточные аспекты возникновения патологических процессов

    Многочисленными исследованиями доказано, что любой патологический процесс, какой бы степенью функциональных нарушений он не проявлялся, начинается на…

  • Получение фосфоробактерина

    Если запасы азота практически безграничны и возобновляются благодаря микробиологической азотфиксации, то резервы фосфора весьма умеренны и быстро…