Во всем мире идет поиск новых, возобновляемых источников энергии, которые могут заменить нефть и газ.
Как альтернатива традиционным энергоносителям, специалистами рассматривается водород (Н2). Теоретически он может получиться фотосинтетическим путем. Потребуются вода, солнечный свет и цианобактерии, либо зеленые водоросли. При этом необходимо доказательство, что этот метод эффективен, а также нужна разработка технологии промышленного получения. Продвинулись в этом направлении специалисты Упсальского университета и биофизики биологического факультета МГУ имени Ломоносова. По результатам их исследований видно, что получать водород при помощи зеленых водорослей можно эффективно, хотя многие ученые скептически относятся к этой теме.
«Важным является то, что исследование проводилось с живыми, неповрежденными клетками, что дает возможность интерпретации полученных результатов со стороны их применения на практике, и поиска новых приемов увеличения производства Н2», — сказала Алена Волгушева, участница проекта.
Также она добавила: «Водород – это самое перспективное топливо, ведь продуктом его горения служит вода. Газ, который выделяют фотосинтетические организмы – альтернатива химической технологии. Водоросли могут производить водород при помощи неограниченных ресурсов – воды и солнечной энергии. Но пока не существует технологии дешевого производства, транспортировки и хранения водорода».
Образовывается Н2 в пигментно-белковом комплексе – фотосистеме II (ФС II). Под воздействием солнечного света вода разлагается на кислород, ионы водорода и электроны. Также возможна передача электронов другим молекулам. Однако прямой синтез водорода фотосинтезом не эффективен. Гидрогеназа срабатывает в анаэробных условиях, а при фотосинтезе образуется кислород. Поэтому, для получения дешевого газа растительного происхождения, необходимо разделить выделение кислорода и синтез водорода. Это возможно при выращивании Chlamydomonas reinhardtii при постоянном освещении в условиях полной герметизации, на питательной среде без серы.
Кислород, который выделяет ФС II, легко образовывает высокотоксичные формы и разрушает ее белки. При обычных условиях клетки синтезируют новые белки, и фотосистема проводит постоянное обновление. Отсутствие серы делает невозможным синтез некоторых аминокислот, поэтому в активных центрах ФС II проходит постепенное разрушение. Результатом этого есть падение скорости фитоокисления воды и образования кислорода. При условии, что скорость выделения кислорода будет меньше чем скорость его потребления, культура перейдет в анаэробные условия.
При отсутствии кислорода, активные центры ФС II начинают производить больше электронов, чем хламидомонада может использовать. Клетка может погибнуть. Спасает гидрогеназа, активизирующаяся и забирающая переизбыток электронов, используя их при синтезе водорода.
Исследователями был использован мутантный штамм водорослей Stm6, со скоростью дыхания выше клеток дикого типа. В этой культуре концентрация О2 снижалась до нуля быстрее в 1,5 раза. Быстрое наступление анаэробных условий позволяет сохранить множество активных центров ФС II (52%). Исследователи полагают, что именно это и дает возможность мутированным клеткам дольше выделять водород, но и увеличить его выход в 4-5 раз, чем у обычных водорослей.
Оставшиеся без серы клетки, больше обычных, из-за накопленного в них крахмала.
Ученые стремились доказать, что использующиеся при синтезе водорода электроны, образуются при фотосинтезе, а не являются результатом биохимических реакций. Исследователями использовался диурон, ингибирующий транспорт электронов в ФС II. При ингибиторе водорода выделялось меньше на 80% во всех видах культур. Это значит, что 80% электронов поступают от фотосистемы, а значит, образуются от действия солнечной энергии.
Становится понятным, что фотосинтез эффективно используется, превращая солнечную энергию в водород. Исследователями запланировано изучение других мутантов, имеющих высокую скорость дыхания, наподобие Stm6. Такие мутации сохраняют ФС II от разрушающего воздействия кислорода и увеличивают выход Н2.
«Результатом этой работы явилось не только представление количественных характеристик ФС II, но и описание изменений, которые происходят на всех стадиях синтеза Н2. Такие исследования крайне важны для развития прикладной науки», — сказала А. Волгушева.
Исследования поддержаны Шведским энергетическим агентством и Шведским исследовательским советом.
Ваше мнение