Криобиологические сосуды > Энергия и биотехнология > Комбинированные системы, образующие водород

Комбинированные системы, образующие водород


Около десяти лет назад в области исследований возобновляемых источников энергии было сделано замечательное открытие. Было показано, что если взять мембраны, содержащие хлорофилл, и добавить к окружающему раствору ферменты, действующие как катализаторы, то на свету будет происходить разложение воды (фотолиз) на водород и кислород (рис. 2.6). Это открытие было первым шагом на пути к созданию фотореактора, при по­мощи которого энергия Солнца может запасаться в ценном топ­ливе— водороде. Фотохимики и фотобиологи проявляют боль­шой интерес к этим исследованиям, поскольку получение «сол­нечного водорода» из воды открывает новые перспективы в энер­гетике. Процессу фотолиза присущ ряд особенностей, которых нет у каких-либо других систем преобразования энергии. Суб­стратом в нем является обычная вода, источником энергии с не­ограниченным запасом — солнечный свет, а продуктом — водо­род. Его просто хранить, он не загрязняет окружающую среду. Процесс этот циклический, поскольку при потреблении водорода регенерируется субстрат —вода. Система привлекательна и тем, что она работает при обычной температуре; в ней не образуются токсичные промежуточные соединения.
Схема сопряжения процессов поглощения солнечной энергии
 
 
Рис. 2.6. Схема сопряжения процессов поглощения солнечной энергии и обра­зования водорода на основе стабилизированных хлоропластных мембран и гидрогеназных ферментов (Hall, 1982).
 
Задача создания стабильной биологической системы, способ­ной работать многие годы, а не часы, чрезвычайно сложна и, быть может, нерешаема. Если бы мы смогли понять суть био­логических процессов, нам, возможно, удалось бы их имитировать путем создания полной системы синтеза. Такие системы могли бы использовать свет любой интенсивности в широком диапазоне температур и этим напоминали бы производящие электроэнергию солнечные батареи. Надо сказать, что фотобио­логический способ производства водорода не вышел еще из стен лабораторий. Целесообразность его дальнейшего развития толь­ко предстоит доказать в ходе многоплановых исследований. Впрочем, наши представления о возможностях использования этой системы в практике могут быстро измениться: достаточно будет и одного крупного открытия при изучении фотобиологиче­ских и фотохимических реакций разложения воды.
Несмотря на успешные опыты по стабилизации мембран хло-ропластов (для этого применялась иммобилизация ферментов и закрепление их в пленках альгинатного геля и полиуретановых матрицах), они вряд ли войдут как составная часть в промыш­ленные системы по улавливанию солнечной энергии. Тем не ме­нее результаты изучения состава хлоропластов и обмена ве­ществ в них могут послужить основой для создания таких си­стем. Чего же мы можем ожидать от исследований в этой об­ласти? В реакциях фотолиза воды в мембранах хлоропластов,, идущих при участии фотосистемы II, принимает участие комп­лекс белков с хлорофиллом и магнием. Сегодня нам мало что, известно и о расположении в нем ионов магния, и о механизмах фотолиза воды в растениях.
Для практических целей может оказаться необходимым от­делить активируемую светом стадию фотосинтеза, на которой образуется кислород, от стадии темновых реакций, где выделя­ется водород. Одностадийная система будет продуцировать смесь кислорода и водорода, и их улавливание и разделение со всей площади коллектора солнечной энергии могут оказаться невы­полнимыми. Но можно представить себе и двухстадийный про­цесс, на первом этапе которого будет функционировать фотока­талитическая система, в которой образуются неокисляемый пе­реносчик и кислород. Кислород можно улавливать, а образовав­шийся переносчик водорода будет использоваться на второй ста­дии, когда осуществляется темновая реакция образования водо­рода. Вслед за этим переносчик направляется обратно в первый отсек установки, восстанавливается там в ходе световой реак­ции и может использоваться для повторного цикла реакций.
Переломный момент в проводимых сегодня исследованиях наступит, когда удастся разработать эффективную стабильную систему, имитирующую фотосистему II мембран хлоропластов, т. е. процесс, в ходе которого вода разлагается на кислород и водород с образованием протонов и восстановительных экви­валентов. Со вторым этапом, связанным с выделением водорода в системе, ситуация, видимо, обстоит проще, поскольку в нашем;
распоряжении есть большой выбор необходимых переносчиков электронов и катализаторов образования водорода. Отметим, однако, что чувствительность многих этих веществ к кислороду ограничивает возможность их применения. Очень важно отыскать соединение, которое могло бы выполнять функции гидроге-назы, т. е. служить кислородоустойчивым редокс- и протонным переносчиком.
Остановимся теперь на водородном фотореакторе. Если бы нам удалось обойтись без реакции расщепления воды и просто использовать восстановленные соединения, например аскорбино­вую кислоту, сульфид натрия, ЭДТА или дитионит в качестве доноров электронов, то можно было бы без труда получить ста­бильную систему, интенсивно образующую водород. В роли фотокатализатора в ней мог бы выступить какой-нибудь пиг­мент (например, флавин или даже стабильная фотосистема I мембран хлоропластов), а в роли переносчиков протонов и электронов — красители, гидрогеназа или платина. Можно использовать для этого стабильные ферменты и иммобилизованные системы. Уже созданы небольшие фотореакторы, в которых при надлежащих условиях образование водорода идет с высокой скоростью, до нескольких литров Н2 в минуту.
Не так-то просто будет получить искусственные мембраны для замены нестабильных биологических прототипов, но иссле­дования в этом направлении уже ведутся. Делаются попытки .применить для этой цели различные решетки с набухающим слоем, силикаты глин (монтмориллониты и гекториты). Послед­ние, как известно, способны образовывать стабильные интерка-ляционные соединения с разнообразными ионными комплекса­ми и полярными молекулами, например с водой.