8.2. Фотобіоніка – створення штучних систем біоводню

Водень з біомаси одержують термохімічним або біохімічним методами.

• Біохімічний метод фотосинтезу – продукування водню різними бактеріями (Rhodobacter sphaeroides, Enterobacter cloacae, тощо): процес проходить за температури 30°С і нормальному тиску. Можливе вживання різних ензимів (гідрогеназ та нітрогеназ) для прискорення продукування водню з полісахаридів (крохмаль, целюлоза), що містяться в біомасі. Собівартість водню близько 2$ за кг.

• Біофотоліз – біологічне утворення газоподібного водню внаслідок фоторозкладу води біохімічними системами, що здатні здійснювати фотоліз води на водень та кисень в однофазному та двофазному режимах.

Загальна схема переесення електронів фотосинтезуючих механізмів передбачає одержання вуглеводнів, водню, вуглекислоти, аміаку з неорганічних та органічних донорів при уловлюванні кванта енергії біоантенами через розділення зарядів у реакційному центрі.

Одержання водню як палива при фотолізі води активно продовжується на рівні пошукових розробок та комерційних програм.

Загальна схема фотолізу води:

• поглинання кванта світла водою;

• робота електронно-транспортної системи ;

• утворення та накопичення водню;

• виділення кисню в довкілля.

Типи модельних біосистем водню:

• біохімічні системи прямого біофотолізу води - грунтується на реакції:

• двостадійний процес - світловий (виділення кисню) та темновий (виділення водню);

• одностадійний процес - одночасне виділення кисню та водню з подальшим розділенням їх через напівпроникні мембрани;

• система біокаталітичного виробництва водню - одностадійний процес у видимих променях Сонця.

Виробництво водню може грунтуватися на процесах фотосинтезу та фотолізу. Гідрогентвірні фотобактерії та рослини продукують водень, використовуючи різні фотосистеми, для яких водень є побічним продуктом. За допомогою гідрогеназ будь-яка рослинна система може виділяти водень.

8.3. Продуценти водню

Здатність виділяти водень властива аеробним і анаербним, хемотрофним бактеріям, пурпурним і зеленим фототрофним бактеріям, ціанобактеріям, різним водоростям і деяким найпростішим. Отже, продуцентами водню, потенційно, є:

• водневі бактерії - Hydrogenomonas, Corynebacterium, Nocardia, Pseudomonas, Alcaligenes;

• хемотрофи - Clostridium butyricum, Clostridium perfrigens, E. coli, Citronobacter, Ruminococcus;

• зелені водорості - Chlorella, Spirulina platensis, Spirulina maxima, Scenedesmus;

• пурпурні бактерії - Rhodobacter capsulatus, Botrycoccus braunii, Tiocapsa roreopersiana, Dunaliella bavduwi;

• ціанобактерії - Anabaena cylindrical, Anabaena variabilis, Mastigocladis thermophilus, Mastigocladis laminosus;

• галобактерії (морська водорость) - Halobacterium halobium.

8.3.1. Особливості воденьтвірних бактерій.

• хемолітотрофні облігатно аеробні мікроорганізми, здатні до автотрофного росту (джерело вуглецю - СО₂, незалежно від органічної сировини);

• здатні до росту за рахунок енергії окиснення водню (електролітичне, теплове та фотохімічне окиснення води) - окисне фосфорилювання з перенесенням електронів (є) від водню до кисню за допомогою активації водню та електронного ланцюга гідрогеназним ферментним комплексом через макроенергетичні структури (ATФ, НАДН);

• можуть використовувати неорганічні (NH₄⁺, NO₃^-), а також органічні (амінокислоти, сечовина, аміни, індол, імідазол) джерела азоту;

• здатні до хемоорганогетеротрофного росту (органічні кислоти ЦТК, метанол, мурашина кислота) в трофічній асоціації з метаногенами.

8.3.2. Асоціації культур для одержання водню. Перспективні напрями систем біоводню, що розробляються, - це отримання водню на основі мікробних популяцій хемосинтезуючих і фотосинтезуючих організмів, що ростуть.

Для отримання фотоводню розробляються різні біосистеми :

• однокомпонентні - фототрофи;

• двокомпонентні (рослини та бактерії) - симбіотична система бобових рослин, що мають бульби з азофіксуючими бактеріями Rhizobium; симбіотичний комплекс з водної папороті Azolla і ціанобактерій;

• багатокомпонентні - системи, що містять ліофілізовані клітини ціанобактерій і пурпурних бактерій; системи, що містять ціанобактерії і водорості тощо.

Особливо привабливим є спосіб використання мікроорганізмів, а саме хемотрофних аеробів, синьо-зелених водоростей чи ціанобактерій.