2. Технологическая биоэнергетика
Технологическая биоэнергетика — одно из направлений био технологии, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Это может быть достигнуто путем: 1) превращения биомассы, накопленной в результате фотосинте за в дешевое и высококалорийное топливо — метан и другие углеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации самого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффективностью используется на образование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО2 и син теза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находится идея непосредственного преобразования энергии Солн ца в электрическую (биофотоэлектрические преобразователи энергии).
Рассмотрим вначале путь, пролегающий через использование биомассы, в первую очередь, растительной, ресурсы которой в мире огромны и оцениваются в 100 млрд. т по сухому веществу в год. Лишь незначительная часть ее расходуется человечеством, но и эта часть дает до 14% потребляемой в мире энергии. Биомасса — не только возобновляемый и почти даровой источ ник энергии, но и альтернатива тающим запасам полезных ископаемых.
Получение этанола как топлива.
Этанол — экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО2 и Н2О. Он исполь зуется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10—20%-ная добавка к бензину (газохол). В Бразилии уже к 1983 г. 75% автомобилей работали на 95%-ном этаноле, а ос тальные — на газохоле. В США предполагают заменить на эта нол 10% потребляемого бензина. Широкое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.
На значительных посевных площадях намечают выращивать сельскохозяйственные культуры, предназначенные для биотех нологической переработки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает проблема, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилеммой: продо вольствие или энергия. Производство этанола из растительного сырья не является безотходным: на каждый литр спирта при-
ходится 12—14 л сточных вод с высокой концентрацией отхо дов, опасных для природных экосистем. Проблема рациональной переработки этих отходов не решена.
Классическим биообъектом, используемым при получении спирта, являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи име ют ряд недостатков.
1. Конкуренция брожения и дыхания. Субстрат (например, глюкоза) лишь частично сбраживается до этанола. Оставшаяся часть безвозвратно теряется, превращаясь в результате дыхания в СО2 и Н2О. Процесс необходимо вести в анаэробных условиях или применять мутанты дрожжей, утратившие митохондрии и не способные к дыханию.
2. Чувствительность к этанолу, которая снижает выход целе вого продукта на единицу объема биореактора. Получены устойчивые к этанолу мутанты, характеризующиеся измененным строением клеточных мембран.
3. Отсутствие ферментов, катализирующих расщепление крахмала, целлюлозы, ксилана. Необходим предварительный гидролиз субстрата или засев биореактора смешанной культурой, содержащей, помимо S. cerevisiae, микроорганизмы с соответ ствующей гидролитической активностью.
Бактерия Zymomonas molilis, применявшаяся центрально американскими индейцами для сбраживания сока агавы, более эффективно сбраживает сахара и более устойчива к этанолу. Дальнейшее повышение устойчивости Z. mobilis к этанолу до стигается добавлением в среду инкубации Mg2+ и ряда нуклео-тидных компонентов.
Термофильные бактерии, продуценты этанола характеризу ются высокой скоростью роста и метаболизма, чрезвычайно стабильными ферментами, необычной для остальных бактерий устойчивостью к этанолу (до 15% и более). Термофилы спо собны к биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол. Так, Thermoanaerobium brockii сбраживает крахмал, Clostridium thermocellum — целлюлозу, Cl. thermohydrosulfuricum утили зирует продукты деградации целлюлозы с очень высоким выхо дом спирта. Перспективно применение экстремально термофиль ного продуцента спирта Thermoanaerobacter ethanolicus. Пла нируют использование также ацидофильных (оптимум рН 1,5) и галофильных продуцентов спирта.
Повышение выхода спирта и стабилизация активности его про дуцентов могут быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так, эффективный синтез этанола осуществлен с применением клеток Z. mobilis, иммобилизованных на хлопчатобумажных во локнах (S. Prentis, 1984).
Получение метана и других углеводородов.
Получение мета на — важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. Он получается в виде биогаза — смеси метана и СО2. Присут ствие СО2 ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в зависимости от соотношения СН4/СО2 составляет 20,9—33,4 кДж/м3. Содержание метана в биогазе варьирует от 50 до 85%.
Непосредственно к образованию метана способна небольшая группа микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жиз недеятельность метанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях. Субстратами для образования ме тана могут служить муравьиная и уксусная кислоты, метанол, газовые смеси (Н2 + СО, Н2 + СО2). Поскольку биогаз практиче ски получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала, белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образования применяют многокомпонентные микробные ассо циации.
Наряду с метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций входят микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и уксусную кислоты, Н2, СО и т. д. Примером может служить метаногенная ассоциация «Methanobacillus Kuzneceovii», образующая метан при разложе нии биомассы водорослей (Чан Динь Тоай, 1984).
Процесс метанобразования отличается высокой эффективно стью: до 90—95% используемого углерода переходит в метан. Поэтому метаногенные ассоциации с успехом используют для очистки сточных вод от органических загрязнений с одновремен ным получением высококалорийного топлива. До 5—10% потреб ленного углерода превращается в биомассу, которая также нахо дит применение. Используют как жидко-, так и твердофазные про цессы получения биогаза (биогазификации).
Наряду с биогазом метаногенные ассоциации образуют дру гие ценные продукты, например витамин В12 После переработки органического субстрата в биогаз остается материал, представ ляющий собой ценное минеральное (азотное и фосфорное) удобрение.
Получение биогаза — процесс, отличающийся простотой обо рудования и доступностью сырья, требует небольших капитало вложений. В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10—15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потреб ностей семьи из пяти человек.
Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов — продуцентов углеводородов как заменителей топ лива. Это микроводоросли — Botryacoceus, Isochrysis, Nanochlo-ropsis и др. Углеводороды накапливаются в значительных коли чествах — до 80% сухой массы клеток. В США действует ферма для выращивания водорослей с суммарной площадью водоемов 52 тыс. гектаров, дающая около 4800 м3 жидких углеводородов в сутки. Для улучшения топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают гидрированию (Г Н Чер нов, 1982).
Получение водорода как топлива будущего.
Получение водо рода как топлива пока остается на уровне поисковых разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н2О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г. Химический и электрохимический способы получения Н2 неэкономичны, поэтому заманчиво использование микроорга низмов, способных выделять водород. Такой способностью обла дают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие (Е. Н. Кондратьева, И. Н. Го-готов, 1981). Процесс протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.
Гидрогеназа — фермент, содержащий FeS-центры. Она ката лизирует реакцию
2Н+ + 2е- = Н2
Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной гидрогеназы в состав искусственных Н2-генерирую-щих систем. Сложной проблемой является нестабильность изоли рованного фермента и быстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом. Повышение ста бильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилиза цией (Чан Динь Тоай, 1984; Y. Nosaka et. al., 1986). Иммобили зация предотвращает ингибирование гидрогеназы кислородом.
Предложено много вариантов модельных систем, катализирую щих образование водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаются механизмом улавливания энергии света и содержат хлоропласты или изолированный из них хлорофилл, а также восстановленные никотинамидные нуклеотиды. Некоторые системы наряду с водо родом образуют кислород: в этом случае речь идет о биофотолизе воды.
Примером может служить система хлоропласт — ферредоксин — гидрогеназа. Ферредоксин служит промежуточным перенос чиком электронов от фотосинтетической цепи хлоропластов к до бавленной гидрогеназе. Серьезной проблемой является поддер жание низкого парциального давления этих газов, с тем чтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина на флавопротеид или метилвиологен система образует только Н2. Флавопротеид и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу от ингибирования кислородом. Разрабатываются системы с изолированным хлорофиллом, встроенным в детергент ные мицеллы или липосомы вместе с гидрогеназой. Предложена также система с гидрогеназой, иммо билизованной в агарозном геле, с которым прочно связан поли мерный виологен и металлопорфирин, аналог хлорофилла.
Водород получают также с применением целых клеток микро организмов, стабильность которых возрастает при их иммобили зации. Высокоэффективными продуцентами Н2 являются пурпур ные фототрофные бактерии, например Rhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации в агарозном геле дают до 180 мкмоль Н2 за 1 ч в пересчете на 1 мг бактериохлорофилла (М. Tadashi, A. Akira, 1983). Важное направление работ — поиск продуцен тов Н2 с устойчивой к О2 гидрогеназой.
Другим ферментом, катализирующим выделение водорода, является нитрогеназа. У всех микроорганизмов нитрогеназа состоит из двух, компонентов, а именно из MoFeS-протеида (молибдоферредоксина) и FeS-протеида (азоферредоксина). Ос новной функцией нитрогеназы является восстановление моле кулярного азота:
N2 + 8H+ + 8е- + nАТФ -> 2NH3 + Н2 + nАДФ + nфосфорная кислота
В отсутствие основного субстрата (N2) нитрогеназа катали зирует энергозависимое
восстановление Н+ с образованием Н2. Переключение фермента с одного режима работы на другой является технологической проблемой. Один из путей решения — получение штаммов микроорганизмов с нитрогеназой, не утили зирующей азот.
В Японии получен штамм Anabaena sp., который осуще ствляет биофотолиз воды в режиме, не чувствительном к Н2, О2 и N2. Повышению эффективности биофотолиза воды способствует чередование периодов функционирования биообъекта как про дуцента Н2 и О2 с периодами «отдыха», когда клетки фотоассими-лируют СО2 (вводимый на этот период в среду культивирования). Возможно комбинирование процессов получения Н2 и других ценных продуктов. В частности, представители рода Clostridium дают органические растворители и в то же время обладают активной гидрогеназой. Если в реакторе с культурой Cl. saccharo-perbutylacetoniocum не создавать оттока для выделяющегося Н2, то наблюдается ингибирование образования Н2 и эффективный синтез бутанола, ацетона и этанола. Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с довольно активным образованием Н2 культура синтезирует лишь этанол. Этот пример иллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического процесса условиями культивирования био объекта.
Таким образом, предложены разнообразные проекты систем для получения водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательстве человека в процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно более полного превращения в энергию химической связи в молекуле Н2.
Пути повышения эффективности фотосинтетических систем.
Рассчитанная теоретически эффективность фотосинтеза, т. е. коэффициент превращения световой энергии в химическую энергию органических веществ, близка к 15%. Фактически, однако, наиболее продуктив ные культурные растения запасают не более 1,5—2% энергии падающего света. Актуальная проблема технологической биоэнер гетики — повышение эффективности фотосинтеза у культурных растений.
Разрабатывают следующие основные подходы к решению этой проблемы: 1) повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4—5% за счет увеличения площади листьев и их раннего формирования; 2) вмешательство в системы регуляции фотосинтеза — сбалансированное использование фитогормонов, трансплантация регуляторных генов; 3) увеличение скорости роста растений за счет оптимизации водного и минерального питания, что приведет к повышению их фотосинтетической активности; 4) увеличение числа хлоропластов в клетке на единицу площади листа; 5) установление оптимального соотношения между функционирующими реакционными центрами хлорофилла и промежуточными переносчиками электронов, на пример, цитохромами; 6) увеличение скорости переноса электро нов между фотосистемами I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов и синтезом АТФ.
Радикальным способом максимизации эффективности фотосин теза было бы создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блоки фотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобных преобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькими десятилетиями.
Биотопливные элементы.
На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы, превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также катали -тическую активность целых клеток, например Е. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления глюкозы.
Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). По средником между субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два пути дальнейшей передачи электронов на
элек трод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный транспорт электронов на электрод (А. И. Ярополов, И. В. Березин, 1985). Конструкция биотопливного элемента позволяет генерировать не только электрический ток, но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в смесь фрук тозы и глюконовой кислоты.
Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они представляют собой основной компонент биологи ческих датчиков — биосенсоров, широко применяемых в химиче-
ской промышленности, медицине, при контроле за биотехнологи ческими процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода. Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают чувствитель ный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина. Иммобилизация клеток Е. coli на кислородном электроде дает биосенсор для измерения кон центрации глутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitro-somonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH4+. На биосенсоре протекают следующие превращения: NH4+Nitrosomonas NO2 Nitrobacter NO3 Раз работаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.
|
