Водоник уместо нафте

У теорији, водоник који ослобађају фотосинтетички микроорганизми представља добру алтернативу хемијским технологијама. На слици: мехурићи водоника. Извор: Paul's Lab.

У теорији, водоник који ослобађају фотосинтетички микроорганизми представља добру алтернативу хемијским технологијама. На слици: мехурићи водоника. Извор: Paul's Lab.

Руски научници су на добром путу да створе вештачку фотосинтезу - другим речима, да дођу до технологије ефикасног претварања сунчеве енергије у водоник. Ономе ко то успе био би отворен пут ка широкој и економски исплативој употреби водоника као енергента.

Свет је у потрази за новим обновљивим изворима енергије који би могли да замене нафту и гас. Као једно од могућих решења стручњаци виде водоник (H₂). Он би у теорији могао да се добија путем фотосинтезе. За то је потребна вода, сунчева светлост и зелене алге или цијанобактерије (модрозелене алге). Поред тога, неопходно је доказати да је фотобиолошки метод синтезе водоника у довољној мери ефикасан и треба развити технологију за његову (исплативу) индустријску производњу.

Аљона Волгушева, руски сарадник на пројекту: „Зелене микроалге могу да произвoде H₂ користећи неисцрпне ресурсе – воду и соларну енергију.“

Врло важан корак у том правцу остварили су стручњаци Универзитета у Упсали (Шведска) и катедре за биофизику Биолошког факултета Московског државног универзитета „М. В. Ломоносов“. Резултати њихових истраживања заиста уливају наду да би производња водоника посредством зелених алги могла да буде ефикасна, без обзира на сумње многих научника који су раније безуспешно покушавали да остваре сличне резултате.

„Водоник је изузетно перспективно и еколошки чисто гориво ако се има у виду да је једини производ сагоревања тог гаса вода. Водоник који стварају (ослобађају) фотосинтетички микроорганизми представља добру алтернативу хемијским технологијама. Зелене микроалге могу да произвoде H₂ користећи неисцрпне ресурсе – воду и соларну енергију. Али нажалост до данас није решен проблем његове јефтине (исплативе) производње у довољним количинама, његовог складиштења и транспорта“, истиче руски сарадник на пројекту, кандидат биолошких наука Аљона Волгушева.

Како то функционише у природи

Образовање H₂ везано је за примарне процесе фотосинтезе који се јављају у сложеном пигментно-протеинском комплексу – у фотосистему II (ФС II). Управо се тамо под утицајем светлости вода разлаже на кисеоник, јоне водоника и електроне. ФС II исто тако преноси електроне другим молекулима. Електрони и јони водоника могу затим да се спајају образујући H₂ посредством ензима хидрогеназе који су код зелених алги отприлике 100 пута активнији него код других организама. Међутим, директна синтеза водоника услед фотосинтезе није ефикасна, тј. даје слабе резултате. Хидрогеназа функционише само у анаеробним условима, а током фотосинтезе образује се кисеоник. Према томе ако желимо да добијамо јефтин гас биљног порекла, треба да раздвојимо фазе издвајања О₂ и синтезe H₂. То се може постићи култивацијом зелених алги Chlamydomonas reinhardtii уз стално осветљење, у херметичким условима и у хранљивој подлози без присуства сумпора.

Култура зелених алги Chlamydomonas reinhardtii.

Кисеоник који издваја ФС II може лако да образује високотоксичне форме и да разара протеине тог фотосистема. У нормалним условима у ћелији долази до синтезе нових протеина и фотосистем се стално обнавља. У одсуству сумпора синтеза појединих аминокиселина није могућа зато активни центри ФС II постепено пропадају. Као последица тога брзина фотооксидације воде и образовањa О₂ опада. Међутим, ћелије дишу. Када је брзина стварања кисеоника нижа од брзине његове потрошње, култура прелази у анаеробне услове који су екстремни за алге C. reinhardtii.

У одсуству кисеоника сачувани активни центри ФС II производе више електрона него што је зелена алга у стању да искористи. Ћелија се њиме „дави“ и може да изумре. Ситуацију спасава хидрогеназа која се активира у анаеробним условима и преузима вишак електрона користећи их за синтезу водоника.

Ка технологији фотосинтезе

Истраживачи су користили мутантни сој алги Stm6 код којих је брзина дисања знатно већа него код ћелија дивљег типа. Код мутантне културе концентрација кисеоника би пала на нулу један и по пут брже него код обичних алги C. reinhardtii. Тако брз настанак анаеробних услова омогућава да ова мутантна култура сачува знатан број активних центара ФС II (52% од укупног броја), док би код обичних алги остало само 23%. Научници претпостављају да управо то омогућава ћелијама мутанта не само да двоструко дуже ослобађа водоник него и да увећа његову производњу за 4–5 пута у поређењу са обичним алгама.

Ћелије зелених алги (C. reinhardtii) ослобођене сумпора (-S) не изгледају као оне у нормалним условима (+S). Оне су доста увећане због акумулираног скроба.

Међутим, научници су морали да докажу да се електрони употребљени у синтези водоника формирају у ћелијама мутанта непосредно у процесу фотосинтезе, а не услед биохемијских реакција, као што је на пример разлагање неких једињења. Истраживачи су користили диурон (DCMU) – супстанцу која инхибира (успорава или спречава) транспорт електрона у ФС II. У присуству инхибитора издвајање водоника и у култури мутанта и у култури дивљег типа опало би за око 80%. Према томе, око 80% електрона употребљених у хидрогенази потиче од фотосистема ФС II, односно настаје услед деловања сунчеве енергије. Преосталих 20% електрона највероватније потиче од продуката ферментације скроба који се у већим количинама акумулира у ћелијама лишеним сумпора.

Експеримент производње водоника. Култура C. reinhardtii у затвореној конусној боци (ерленмајеру). Апаратура на слици мери концентрацију раствореног кисеоника у хранљивој средини.

Очигледно је да фотосинтеза може да се користи за ефикасно претварање сунчеве енергије у водоник. А чињеница је и да ФС II игра кључну улогу у фотоиндукованој производњи H₂ посредством зелених алги. Истраживачи планирају да проуче и друге мутанте са већом брзином дисања попут Stm6. Такве мутације омогућавају да се ФС II сачува од штетног дејства кисеоника и да се увећа производња H₂.

„Овим истраживањем не само да смо представили квантитативне карактеристике ФС II него смо дали и детаљан опис промена до којих долази у свим фазама синтезе водоника. Оваква фундаментална истраживања су веома важна јер без разумевања самих основа није могућ развој практичних грана науке. Исто тако је важно и то што је истраживање спроведено над живим, неоштећеним ћелијама, тако да добијени резултати имају посебну вредност и применљивост у пракси што нам омогућава да проналазимо нове начине увећања производње H₂“, истиче Аљона Волгушева.

Руски текст на сајту S&T RF. Илустрације: S&T RF.

Росијскаја газета. Сва права задржана.