stringtranslate.com

Биоводород

Микробное производство водорода.

Биоводород – это H2 , который производится биологическим путем. [1] Интерес к этой технологии высок, поскольку H2 является чистым топливом и может быть легко получен из определенных видов биомассы , [2] включая биологические отходы. [3] Кроме того, некоторые фотосинтетические микроорганизмы способны производить H2 непосредственно из расщепления воды, используя свет в качестве источника энергии. [4] [5]

Помимо многообещающих возможностей биологического производства водорода, эта технология характеризуется множеством проблем. Первые проблемы включают те, которые присущи H 2 , такие как хранение и транспортировка взрывоопасного неконденсирующегося газа. Кроме того, организмы, производящие водород, отравлены O 2 , а выход H 2 часто низок.

Биохимические принципы

Основные реакции, приводящие к образованию водорода, включают окисление субстратов для получения электронов. Затем эти электроны переносятся на свободные протоны для образования молекулярного водорода. Эта реакция восстановления протона обычно выполняется семейством ферментов, известных как гидрогеназы .

В гетеротрофных организмах электроны производятся во время ферментации сахаров. Водородный газ производится во многих типах ферментации как способ регенерации NAD + из NADH . Электроны переносятся на ферредоксин или могут быть напрямую приняты от NADH гидрогеназой , производя H 2 . Из-за этого большинство реакций начинаются с глюкозы , которая превращается в уксусную кислоту . [6]

Похожая реакция дает формиат вместо диоксида углерода :

Эти реакции являются экзергоническими на 216 и 209 ккал/моль соответственно.

Было подсчитано, что 99% всех организмов используют или производят дигидроген (H 2 ). Большинство из этих видов являются микробами, и их способность использовать или производить H 2 в качестве метаболита возникает из-за экспрессии металлоферментов H 2 , известных как гидрогеназы. [7] Ферменты в этом широко разнообразном семействе обычно подразделяются на три различных типа в зависимости от содержания металла в активном центре: [FeFe]-гидрогеназы (железо-железо), [NiFe]-гидрогеназы (никель-железо) гидрогеназы и [Fe]-гидрогеназы (только железо). [8] Многие организмы экспрессируют эти ферменты. Известными примерами являются представители родов Clostridium , Desulfovibrio , Ralstonia или патоген Helicobacter , большинство из которых являются строгими анаэробами или факультативными микроорганизмами. Другие микроорганизмы, такие как зеленые водоросли, также экспрессируют высокоактивные гидрогеназы, как это имеет место у представителей рода Chlamydomonas .

Структуры активных центров трех типов ферментов гидрогеназы.

В связи с огромным разнообразием ферментов гидрогеназы текущие усилия сосредоточены на скрининге новых ферментов с улучшенными характеристиками [9] [10] [11], а также на конструировании уже охарактеризованных гидрогеназ для придания им более желаемых характеристик. [12]

Продукция водорослей

Биологическое производство водорода с помощью водорослей — это метод фотобиологического расщепления воды , который осуществляется в закрытом фотобиореакторе на основе производства водорода в качестве солнечного топлива водорослями . [13] [14] Водоросли производят водород при определенных условиях. В 2000 году было обнаружено, что если водоросли C. reinhardtii лишаются серы , они переключаются с производства кислорода , как при обычном фотосинтезе , на производство водорода. [15] [16] [17]

Зеленые водоросли экспрессируют [FeFe] гидрогеназы, некоторые из которых считаются наиболее эффективными гидрогеназами со скоростью оборота, превышающей 10 4 с −1 . Эта замечательная каталитическая эффективность, тем не менее, затеняется ее чрезвычайной чувствительностью к кислороду, будучи необратимо инактивированной O 2 [12] . Когда клетки лишены серы, выделение кислорода прекращается из-за фотоповреждения фотосистемы II , в этом состоянии клетки начинают потреблять O 2 и обеспечивают идеальную анаэробную среду для нативных [FeFe] гидрогеназ, катализирующих производство H 2 .

Фотосинтез

Биореакторы на основе водорослевых клеток , способные производить водород [18]

Фотосинтез в цианобактериях и зеленых водорослях расщепляет воду на ионы водорода и электроны. Электроны транспортируются через ферредоксины . [19] Fe-Fe-гидрогеназы (ферменты) объединяют их в водородный газ. В Chlamydomonas reinhardtii фотосистема II производит при прямом преобразовании солнечного света 80% электронов, которые в конечном итоге попадают в водородный газ. [20]

В 2020 году ученые сообщили о разработке микроэмульсии на основе водорослевых клеток для многоклеточных сфероидных микробных реакторов, способных производить водород вместе с кислородом или CO2 посредством фотосинтеза при дневном свете на воздухе. Было показано, что закрытие микрореакторов синергетическими бактериями увеличивает уровни производства водорода за счет снижения концентрации O2 . [ 21] [18]

Улучшение производительности за счет сокращения светособирающих антенн

Размер антенны хлорофилла (Chl) в зеленых водорослях минимизирован или усечен, чтобы максимизировать эффективность фотобиологического преобразования солнечной энергии и выработку H2 . Было показано, что белок LHCBM9 фотосистемы II светового комплекса, собирающий свет, способствует эффективному рассеиванию световой энергии. [22] Усеченный размер антенны Chl минимизирует поглощение и бесполезное рассеивание солнечного света отдельными клетками, что приводит к лучшей эффективности использования света и большей эффективности фотосинтеза, когда зеленые водоросли выращиваются как массовая культура в биореакторах. [23]

Экономика

Согласно текущим отчетам по биоводороду на основе водорослей, для производства биоводорода, эквивалентного энергии, вырабатываемой бензином только в США, потребуется около 25 000 квадратных километров водорослевого фермерства. Эта площадь составляет примерно 10% площади, отведенной под выращивание сои в США. [24]

Проблемы конструкции биореактора

В настоящее время предпринимаются попытки решить эти проблемы с помощью биоинженерии .

Продукция цианобактерий

Биологическое производство водорода также наблюдается у азотфиксирующих цианобактерий . Эти микроорганизмы могут расти, образуя нити. В условиях дефицита азота некоторые клетки могут специализироваться и образовывать гетероцисты , что обеспечивает анаэробное внутриклеточное пространство для облегчения фиксации N2 ферментом нитрогеназой, экспрессируемым также внутри.

В условиях фиксации азота фермент нитрогеназа принимает электроны и потребляет АТФ, чтобы разорвать тройную связь диазота и восстановить его до аммиака. [25] В ходе каталитического цикла фермента нитрогеназы также образуется молекулярный водород.

Тем не менее, поскольку производство H 2 является важной потерей энергии для клеток, большинство азотфиксирующих цианобактерий также имеют по крайней мере одну поглощающую гидрогеназу. [26] Поглощающие гидрогеназы проявляют каталитическую предрасположенность к окислению кислорода, таким образом, могут ассимилировать произведенный H 2 как способ восстановления части энергии, затраченной в процессе фиксации азота.

История

В 1933 году Марджори Стивенсон и ее студент Стикленд сообщили, что клеточные суспензии катализируют восстановление метиленового синего с помощью H 2 . Шесть лет спустя Ганс Гаффрон заметил, что зеленая фотосинтетическая водоросль Chlamydomonas reinhardtii иногда производит водород. [27] В конце 1990-х годов Анастасиос Мелис обнаружил, что лишение серы заставляет водоросль переключаться с производства кислорода (нормальный фотосинтез) на производство водорода. Он обнаружил, что фермент, ответственный за эту реакцию, — гидрогеназа , но что гидрогеназа утрачивает эту функцию в присутствии кислорода. Мелис также обнаружил, что истощение количества серы, доступной водорослям, прерывает их внутренний поток кислорода, предоставляя гидрогеназе среду, в которой она может реагировать, заставляя водоросли производить водород. [28] Chlamydomonas moewusii также является перспективным штаммом для производства водорода. [29] [30]

Промышленный водород

Конкуренция за биоводород, по крайней мере для коммерческого применения, есть много зрелых промышленных процессов. Паровой риформинг природного газа - иногда называемый паровым риформингом метана (SMR) - является наиболее распространенным методом производства водорода в больших объемах, около 95% от мирового производства. [31] [32] [33]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ М. Рёгнер, изд. (2015). Биоводород . Де Грюйтер. ISBN 978-3-11-033673-3.
  2. ^ Y.-H. Percival Zhang «Производство водорода из углеводов: мини-обзор» в «Устойчивое производство топлива, химикатов и волокон из лесной биомассы» Серия симпозиумов Американского химического общества, 2011, том 1067, страницы=203-216.
  3. ^ Виджаясекера, Сачиндра Чамоде; Хеваге, Касун; Сиддики, Усама; Хеттиаратчи, Патрик; Садик, Рехан (29.01.2022). «Технологии переработки отходов в водород: критический обзор технико-экономической и социально-экологической устойчивости». Международный журнал водородной энергетики . 47 (9): 5842–5870. Bibcode : 2022IJHE...47.5842W. doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.11.226. ISSN  0360-3199. S2CID  245348607.
  4. ^ Болатхан, Кенжегул; Косалбаев Бекжан Д.; Заядан, Болатхан К.; Томо, Тацуя; Везироглу, Т. Неджат; Аллахвердиев, Сулейман И. (01.03.2019). «Производство водорода из фототрофных микроорганизмов: реальность и перспективы». Международный журнал водородной энергетики . 44 (12): 5799–5811. Бибкод : 2019IJHE...44.5799B. doi : 10.1016/j.ijhydene.2019.01.092 . ISSN  0360-3199. S2CID  104465557.
  5. ^ Василиаду, Иоанна А.; Берна, Антонио; Манчон, Карлос; Мелеро, Хуан А.; Мартинес, Фернандо; Эстеве-Нуньес, Абрахам; Пуйоль, Даниэль (2018). «Биологические и биоэлектрохимические системы для производства водорода и фиксации углерода с использованием пурпурных фототрофных бактерий». Frontiers in Energy Research . 6. doi : 10.3389/fenrg.2018.00107 . ISSN  2296-598X.
  6. ^ Thauer, RK (1998). «Биохимия метаногенеза: дань уважения Марджори Стивенсон». Микробиология . 144 : 2377–2406. doi : 10.1099/00221287-144-9-2377 . PMID  9782487.
  7. ^ Любиц, Вольфганг ; Огата, Хидеаки; Рюдигер, Олаф; Рейджерс, Эдвард (2014). «Гидрогеназы». Химические обзоры . 114 (8): 4081–148. дои : 10.1021/cr4005814. ПМИД  24655035.
  8. ^ Винье, Полетт М.; Биллу, Бернар (2007-10-01). «Возникновение, классификация и биологическая функция гидрогеназ: обзор». Chemical Reviews . 107 (10): 4206–4272. doi :10.1021/cr050196r. ISSN  0009-2665. PMID  17927159.
  9. ^ Лэнд, Хенрик; Чеккальди, Пьер; Месарош, Ливия С.; Лоренци, Марко; Редман, Холли Дж.; Зенгер, Мориц; Стрип, Свен Т.; Берггрен, Густав (2019-11-06). «Открытие новых [FeFe]-гидрогеназ для биокаталитического производства H2». Chemical Science . 10 (43): 9941–9948. doi :10.1039/C9SC03717A. ISSN  2041-6539. PMC 6984386 . PMID  32055351. 
  10. ^ Гринтер, Рис; Кропп, Эшли; Венугопал, Хари; Зенгер, Мориц; Бэдли, Джек; Каботаже, Принцесса Р.; Цзя, Руюй; Дуань, Цзэхуэй; Хуан, Пин; Стрип, Свен Т.; Барлоу, Кристофер К.; Белоусофф, Мэтью; Шафаат, Ханна С.; Кук, Грегори М.; Шиттенхельм, Ральф Б. (март 2023 г.). «Структурная основа для извлечения энергии бактериями из атмосферного водорода». Nature . 615 (7952): 541–547. Bibcode :2023Natur.615..541G. doi :10.1038/s41586-023-05781-7. ISSN  1476-4687. PMC 10017518 . PMID  36890228. 
  11. ^ Морра, Симоне (2022). «Фантастические [FeFe]-гидрогеназы и где их найти». Frontiers in Microbiology . 13 : 853626. doi : 10.3389/fmicb.2022.853626 . ISSN  1664-302X. PMC 8924675. PMID 35308355  . 
  12. ^ ab Lu, Yuan; Koo, Jamin (ноябрь 2019 г.). «Чувствительность к O2 и активность производства H2 гидрогеназами — обзор A». Биотехнология и биоинженерия . 116 (11): 3124–3135. doi :10.1002/bit.27136. ISSN  1097-0290. PMID  31403182. S2CID  199539477.
  13. ^ 2013 - Gimpel JA и др. Достижения в области инженерии микроводорослей и применения синтетической биологии для производства биотоплива.
  14. ^ Хемшемейер, Аня; Мелис, Анастасиос; Хаппе, Томас (2009). «Аналитические подходы к фотобиологическому производству водорода в одноклеточных зеленых водорослях». Photosynthesis Research . 102 (2–3): 523–540. Bibcode : 2009PhoRe.102..523H. doi : 10.1007/s11120-009-9415-5. ISSN  0166-8595. PMC 2777220. PMID 19291418  . 
  15. ^ Водоросли Wired-Mutant — это водородная фабрика. Архивировано 27 августа 2006 г. на Wayback Machine.
  16. ^ "Дополнительное чтение - New Scientist". Архивировано из оригинала 2008-10-31 . Получено 2009-03-11 .
  17. ^ Мелис, Анастасиос; Чжан, Липин; Форестье, Марк; Жирарди, Мария Л.; Зайберт, Майкл (2000-01-01). «Устойчивое фотобиологическое производство водорода при обратимой инактивации выделения кислорода в зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii». Физиология растений . 122 (1): 127–136. doi :10.1104/pp.122.1.127. ISSN  1532-2548. PMC 58851. PMID 10631256  . 
  18. ^ ab Xu, Zhijun; Wang, Shengliang; Zhao, Chunyu; Li, Shangsong; Liu, Xiaoman; Wang, Lei; Li, Mei; Huang, Xin; Mann, Stephen (25 ноября 2020 г.). "Фотосинтетическое производство водорода с помощью микробных микрореакторов на основе капель в аэробных условиях". Nature Communications . 11 (1): 5985. Bibcode :2020NatCo..11.5985X. doi :10.1038/s41467-020-19823-5. ISSN  2041-1723. PMC 7689460 . PMID  33239636.  Доступно по лицензии CC BY 4.0.
  19. ^ Peden, EA; Boehm, M.; Mulder, DW; Davis, R.; Old, WM; King, PW; Ghirardi, ML; Dubini, A. (2013). «Идентификация глобальных сетей взаимодействия ферредоксина в Chlamydomonas reinhardtii». Журнал биологической химии . 288 (49): 35192–35209. doi : 10.1074/jbc.M113.483727 . ISSN  0021-9258. PMC 3853270. PMID 24100040  . 
  20. ^ Volgusheva, A.; Styring, S.; Mamedov, F. (2013). "Повышенная стабильность фотосистемы II способствует образованию H2 в лишенных серы Chlamydomonas reinhardtii". Труды Национальной академии наук . 110 (18): 7223–7228. Bibcode : 2013PNAS..110.7223V. doi : 10.1073/pnas.1220645110 . ISSN  0027-8424. PMC 3645517. PMID 23589846  . 
  21. ^ «Исследования создают живые капли, производящие водород, прокладывая путь для альтернативного будущего источника энергии». phys.org . Получено 9 декабря 2020 г. .
  22. ^ Grewe, S.; Ballottari, M.; Alcocer, M.; D'Andrea, C.; Blifernez-Klassen, O.; Hankamer, B.; Mussgnug, JH; Bassi, R.; Kruse, O. (2014). «Белок светосборного комплекса LHCBM9 имеет решающее значение для активности фотосистемы II и продукции водорода в Chlamydomonas reinhardtii». The Plant Cell . 26 (4): 1598–1611. doi :10.1105/tpc.114.124198. ISSN  1040-4651. PMC 4036574 . PMID  24706511. 
  23. ^ Кирст, Х.; Гарсия-Сердан, Дж. Г.; Зурбригген, А.; Рюле, Т.; Мелис, А. (2012). «Усеченный размер антенны хлорофилла фотосистемы в зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii при удалении гена TLA3-CpSRP43». Физиология растений . 160 (4): 2251–2260. doi :10.1104/pp.112.206672. ISSN  0032-0889. PMC 3510145. PMID 23043081  . 
  24. ^ Выращивание водорода для автомобилей будущего
  25. ^ "5.15C: Механизм фиксации азота". Biology LibreTexts . 2017-05-11 . Получено 2023-04-07 .
  26. ^ Tamagnini, Paula; Axelsson, Rikard; Lindberg, Pia; Oxelfelt, Fredrik; Wünschiers, Röbbe; Lindblad, Peter (март 2002 г.). «Гидрогеназы и водородный метаболизм цианобактерий». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 66 (1): 1–20. doi :10.1128/MMBR.66.1.1-20.2002. ISSN  1092-2172. PMC 120778. PMID 11875125  . 
  27. ^ Водоросли: электростанция будущего?
  28. ^ "Multiplatform Pinup Girl". Wired . 2002-04-01. Архивировано из оригинала 2012-10-20.
  29. ^ Мелис А., Хаппе Т. (2001). «Производство водорода. Зеленые водоросли как источник энергии». Plant Physiol . 127 (3): 740–748. doi :10.1104/pp.010498. PMC 1540156. PMID  11706159 . 
  30. ^ Yang, Shihui; Guarnieri, Michael T; Smolinski, Sharon; Ghirardi, Maria; Pienkos, Philip T (2013). "Транскриптомный анализ de novo продукции водорода в зеленой водоросли Chlamydomonas moewusii с помощью RNA-Seq". Биотехнология для биотоплива . 6 (1): 118. doi : 10.1186/1754-6834-6-118 . ISSN  1754-6834. PMC 3846465. PMID 23971877  . 
  31. ^ П. Хойссингер, Р. Лохмюллер, А. М. Уотсон, «Водород, 2. Производство» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2012, Wiley-VCH, Вайнхайм. дои : 10.1002/14356007.o13_o03
  32. ^ Огден, Дж. М. (1999). «Перспективы создания инфраструктуры водородной энергетики». Ежегодный обзор энергетики и окружающей среды . 24 : 227–279. doi :10.1146/annurev.energy.24.1.227.
  33. ^ "Производство водорода: реформирование природного газа". Министерство энергетики . Получено 6 апреля 2017 г.

Внешние ссылки