Наука и технологии России

Вход Регистрация

Водород вместо нефти: российские учёные открыли путь к фотоэнергетике

Мир ищет новые возобновляемые источники энергии, способные заменить нефть и газ. В качестве одного из вариантов специалисты рассматривают водород (Н2). Теоретически его можно получать фотосинтетическим путём. Для этого нужны вода, солнечный свет и зелёные водоросли или цианобактерии. А ещё необходимо доказать, что фотобиологический метод синтеза водорода достаточно эффективен, и разработать технологию его промышленного получения. Важный шаг в этом направлении сделали специалисты Упсальского университета (Швеция) и кафедры биофизики биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Результаты их исследования вселяют надежду, что получение водорода с помощью зелёных водорослей может быть эффективным, несмотря на скептическое отношение к этой теме многих учёных, которые ранее безуспешно пытались добиться похожих выводов.


Алёна Волгушева: «Важно то, что исследование было проведено на живых, неповреждённых клетках, что позволяет интерпретировать полученные результаты с точки зрения их возможного практического применения и, соответственно, найти новые приёмы для увеличения продукции Н2»


Культура зелёных водорослей Chlamydomonas reinhardtii

«Водород – наиболее перспективное, экологически чистое топливо, поскольку единственным продуктом горения данного газа служит вода. Водород, выделяемый фотосинтетическими микроорганизмами, – хорошая альтернатива химическим технологиям. Зелёные микроводоросли могут производить Н2, используя неисчерпаемые ресурсы – воду и солнечную энергию. Но, к сожалению, до сих пор не решена проблема его дешёвого производства в достаточных количествах, хранения и транспортировки», – рассказала STRF.ru российская участница проекта кандидат биологических наук Алёна Волгушева.

Образование Н2 связано с первичными процессами фотосинтеза, которые происходят в сложном пигментно-белковом комплексе – фотосистеме II (ФС II). Именно там под действием света вода разлагается на кислород, ионы водорода и электроны. ФС II также передаёт электроны другим молекулам. Электроны и ионы водорода могут затем объединиться с образованием Н2 при участии фермента гидрогеназы, который у зелёных водорослей примерно в 100 раз активнее, чем у других организмов. Тем не менее прямой синтез водорода в результате фотосинтеза малоэффективен. Гидрогеназа работает только в анаэробных условиях, а в ходе фотосинтеза образуется кислород. Поэтому, если мы хотим получать дешёвый газ растительного происхождения, стадии выделения О2 и синтеза Н2 необходимо разделить. Это можно сделать, если выращивать Chlamydomonas reinhardtii при постоянном освещении, в герметичных условиях, на питательной среде, лишённой серы.

Кислород, выделяемый ФС II, легко может образовывать высокотоксичные формы и разрушать белки этой фотосистемы. В обычных условиях в клетке происходит синтез новых белков, и фотосистема постоянно восстанавливается. При отсутствии серы синтез некоторых аминокислот невозможен, поэтому активные центры ФС II постепенно разрушаются. В результате скорость фотоокисления воды и образования О2 падает. Однако клетки дышат. Когда скорость выделения кислорода становится ниже скорости его потребления, культура переходит в анаэробные условия, экстремальные для C. reinhardtii.

В отсутствие кислорода сохранившиеся активные центры ФС II производят больше электронов, чем хламидомонада в состоянии использовать. Клетка ими «захлёбывается» и может погибнуть. Ситуацию спасает гидрогеназа, которая активизируется в анаэробных условиях и забирает избыток электронов, употребляя их для синтеза водорода.

Исследователи использовали мутантный штамм водорослей Stm6, у которого скорость дыхания существенно выше, чем у клеток дикого типа. В мутантной культуре концентрация кислорода падала до нуля в полтора раза быстрее, чем у обычных C. reinhardtii. Такое быстрое наступление анаэробных условий позволило сохранить культуре мутанта значительное количество активных центров ФС II (52% от общего количества), в то время как у обычных водорослей оставалось только 23%. Как предполагают исследователи, именно это позволяет клеткам мутанта не только в два раза дольше выделять водород, но и увеличить его продукцию в 4–5 раз, по сравнению с обычными водорослями.

Клетки хламидомонады, лишённые серы (-S), выглядят не так, как в обычных условиях (+S). Они значительно больше за счёт накопленного крахмала

Но учёным необходимо было доказать, что электроны, используемые при синтезе водорода, образуются в клетках мутанта непосредственно в процессе фотосинтеза, а не в результате биохимических реакций, например при расщеплении каких-то веществ. Исследователи использовали диурон (DCMU) – вещество, которое ингибирует транспорт электронов в ФС II. В присутствии ингибитора выделение водорода и в культуре мутантов, и в культуре дикого типа падало примерно на 80%. Следовательно, около 80% электронов, используемых гидрогеназой, поступают от фотосистемы II, то есть образуются в результате действия солнечной энергии. Остальные 20% электронов поступают, скорее всего, от продуктов сбраживания крахмала, который в большом количестве накапливается в клетках, лишённых серы.


Эксперимент по производству водорода. Культура C. reinhardtii помещена в герметично закрытую коническую колбу. Прибор на фото измеряет концентрацию растворённого в питательной среде кислорода

Очевидно, фотосинтез можно использовать для эффективной конверсии солнечной энергии в водород. А также и то, что ФС II играет ключевую роль в процессах фотоиндуцированного производства Н2 зелёными водорослями. Исследователи планируют изучить другие мутанты с высокой скоростью дыхания, подобные Stm6. Такие мутации позволяют сохранить ФС II от повреждающего действия кислорода и повысить выход Н2.

«В этой работе мы не только представили количественные характеристики ФС II, но и подробно описали изменения, происходящие на всех стадиях синтеза водорода. Такие фундаментальные исследования очень важны, так как без понимания основ невозможно развитие прикладных отраслей науки. Важно и то, что исследование было проведено на живых, неповреждённых клетках, что позволяет интерпретировать полученные результаты с точки зрения их возможного практического применения и, соответственно, найти новые приёмы для увеличения продукции Н2», – говорит Алёна Волгушева.

Исследование поддержали Шведское энергетическое агентство (Swedish Energy Agency), Фонд Кнута и Алисы Валленберг (Knut and Alice Wallenberg Foundation) и Шведский исследовательский совет (Swedish Research Council).

Источник информации:

A. Volgusheva, S. Styring and F. Mamedov, Increased Photosystem II stability promotes the H2 production in Sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; 110 (18), 7223–7228.

РЕЙТИНГ

4.89
голосов: 19

Галереи

«Наука — это красиво!» Номинация: «Наука — значит развитие»

Конкурс научной фотографии, 2009 год

55 фото

Обсуждение