✖


Jump to content

Биоводород

Микробное производство водорода.

Биоводород – это H 2 , который производится биологическим путем. [1] Интерес к этой технологии высок, поскольку H 2 является чистым топливом и может быть легко получен из определенных видов биомассы . [2] включая биологические отходы. [3] Более того, некоторые фотосинтезирующие микроорганизмы способны производить H 2 непосредственно при расщеплении воды, используя свет в качестве источника энергии. [4] [5]

Помимо многообещающих возможностей биологического производства водорода, эту технологию характеризует множество проблем. Первые проблемы включают проблемы, присущие H 2 , такие как хранение и транспортировка взрывоопасного неконденсируемого газа. Кроме того, организмы, производящие водород, отравляются O 2 , а выходы H 2 часто бывают низкими.

Биохимические принципы

[ редактировать ]

Основные реакции, способствующие образованию водорода, включают окисление субстратов с получением электронов. Затем эти электроны передаются свободным протонам с образованием молекулярного водорода. Эта реакция восстановления протонов обычно выполняется семейством ферментов, известных как гидрогеназы .

У гетеротрофных организмов электроны образуются при ферментации сахаров. Газообразный водород производится во многих типах ферментации как способ регенерации НАД. + из НАДН . Электроны передаются на ферредоксин или могут быть непосредственно приняты от НАДН гидрогеназой , образуя H 2 . Из-за этого большинство реакций начинается с глюкозы , которая превращается в уксусную кислоту . [6]

Родственная реакция дает формиат вместо диоксида углерода :

Эти реакции экзергоничны на 216 и 209 ккал/моль соответственно.

Было подсчитано, что 99% всех организмов используют или производят диводород (H 2 ). Большинство этих видов являются микробами, и их способность использовать или производить H2 в качестве метаболита возникает в результате экспрессии H2, металлоферментов известных как гидрогеназы. [7] Ферменты этого широко разнообразного семейства обычно подразделяются на три различных типа в зависимости от содержания металлов в активном центре: [FeFe]-гидрогеназы (железо-железо), [NiFe]-гидрогеназы (никель-железо) гидрогеназы и [Fe] -гидрогеназы (только железо). [8] Многие организмы экспрессируют эти ферменты. Яркими примерами являются представители родов Clostridium , Desulfovibrio , Ralstonia или патоген Helicobacter , большинство из которых являются строгими анаэробами или факультативными микроорганизмами. Другие микроорганизмы, такие как зеленые водоросли, также экспрессируют высокоактивные гидрогеназы, как это имеет место у представителей рода Chlamydomonas .

Структуры активных центров трех типов ферментов гидрогеназ.

Из-за чрезвычайного разнообразия ферментов гидрогеназ текущие усилия сосредоточены на поиске новых ферментов с улучшенными характеристиками. [9] [10] [11] а также инженеры уже охарактеризовали гидрогеназы, чтобы придать им более желательные характеристики. [12]

Производство водорослей

[ редактировать ]

Биологическое производство водорода с помощью водорослей — это метод фотобиологического расщепления воды осуществляется в закрытом фотобиореакторе и основан на производстве водорода в качестве солнечного топлива водорослями , который . [13] [14] Водоросли производят водород при определенных условиях. В 2000 году было обнаружено, что если водоросли C. Reinhardtii лишить серы , они перейдут от производства кислорода , как при обычном фотосинтезе , к производству водорода. [15] [16] [17]

Зеленые водоросли экспрессируют гидрогеназы [FeFe], причем некоторые из них считаются наиболее эффективными гидрогеназами со скоростью оборота, превышающей 10 4 с −1 . Эта замечательная каталитическая эффективность, тем не менее, омрачается его чрезвычайной чувствительностью к кислороду, который необратимо инактивируется O 2 . [12] . Когда клетки лишены серы, выделение кислорода прекращается из-за фотоповреждения фотосистемы II , в этом состоянии клетки начинают потреблять O 2 и обеспечивают идеальную анаэробную среду для нативных [FeFe] гидрогеназ, катализирующих выработку H 2 .

Фотосинтез

[ редактировать ]
Образование сфероидов на основе клеток хлореллы.
Схематическая иллюстрация, показывающая сборку, пространственную организацию и двойную функциональность многоклеточных живых микрореакторов на основе капель.
на основе клеток водорослей Биореакторы , способные производить водород [18]

Фотосинтез у цианобактерий и зеленых водорослей расщепляет воду на ионы водорода и электроны. Электроны переносятся через ферредоксины . [19] Fe-Fe-гидрогеназы (ферменты) объединяют их в газообразный водород. В Chlamydomonas Reinhardtii Фотосистема II производит при прямом преобразовании солнечного света 80% электронов, которые в конечном итоге попадают в газообразный водород. [20]

В 2020 году ученые сообщили о разработке микроэмульсии на основе клеток водорослей для многоклеточных сфероидных микробных реакторов, способных производить водород наряду с кислородом или CO 2 посредством фотосинтеза при дневном свете на воздухе. Было показано, что закрытие микрореакторов синергическими бактериями увеличивает уровень производства водорода за счет снижения концентрации O 2 . [21] [18]

Повышение производительности за счет уменьшения светособирающих антенн

[ редактировать ]

Размер антенны хлорофилла ( Chl ) в зеленых водорослях сведен к минимуму или усечен, чтобы максимизировать фотобиологическую эффективность преобразования солнечной энергии и производство H 2 . Было показано, что светособирающий белок фотосистемы II комплекса светособирания LHCBM9 способствует эффективному рассеиванию световой энергии. [22] Усеченный размер антенны Chl сводит к минимуму поглощение и расточительное рассеивание солнечного света отдельными клетками, что приводит к повышению эффективности использования света и большей эффективности фотосинтеза, когда зеленые водоросли выращиваются в качестве массовой культуры в биореакторах. [23]

Экономика

[ редактировать ]

Согласно текущим отчетам о биоводороде на основе водорослей, для производства биоводорода, эквивалентного энергии, обеспечиваемой бензином только в США, потребуется около 25 000 квадратных километров водорослевых ферм. Эта площадь составляет примерно 10% площади, отведенной под выращивание сои в США. [24]

Проблемы проектирования биореактора

[ редактировать ]
  • Ограничение фотосинтетического производства водорода за счет накопления протонного градиента .
  • Конкурентное ингибирование фотосинтетического производства водорода углекислым газом.
  • Потребность в связывании бикарбоната в фотосистеме II (PSII) для эффективной фотосинтетической активности .
  • Конкурентный дренаж электронов кислородом при производстве водорода водорослями.
  • Экономика должна достичь конкурентоспособной цены по сравнению с другими источниками энергии, и экономика зависит от нескольких параметров.
  • Основным техническим препятствием является эффективность преобразования солнечной энергии в химическую энергию, хранящуюся в молекулярном водороде.

Предпринимаются попытки решить эти проблемы с помощью биоинженерии .

Производство цианобактерий

[ редактировать ]

Биологическое производство водорода наблюдается также у азотфиксирующих цианобактерий . Эти микроорганизмы могут расти, образуя нити. В условиях ограниченного азота некоторые клетки могут специализироваться и образовывать гетероцисты , что обеспечивает анаэробное внутриклеточное пространство для облегчения N 2 фиксации с помощью фермента нитроцисты, экспрессируемого также внутри.

В условиях азотфиксации фермент нитрогеназа принимает электроны и потребляет АТФ, чтобы разорвать тройную связь азота и восстановить ее до аммиака. [25] В ходе каталитического цикла фермента нитрогеназы также образуется молекулярный водород.

Тем не менее, поскольку производство H 2 является важной потерей энергии для клеток, большинство азотфиксирующих цианобактерий также обладают по крайней мере одной поглощающей гидрогеназой. [26] Поглощающие гидрогеназы проявляют каталитическую склонность к окислению кислорода, поэтому могут ассимилировать образующийся H 2 в качестве способа восстановления части энергии, затраченной в процессе фиксации азота.

История

[ редактировать ]

В 1933 году Марджори Стивенсон и ее студент Стикленд сообщили, что суспензии клеток катализируют восстановление метиленового синего с помощью H 2 . Шесть лет спустя Ганс Гаффрон заметил, что зеленая фотосинтетическая водоросль Chlamydomonas Reinhardtii иногда производит водород. [27] В конце 1990-х годов Анастасиос Мелис обнаружил, что лишение серы заставляет водоросли переключаться с производства кислорода (нормального фотосинтеза) на производство водорода. Он обнаружил, что ферментом, ответственным за эту реакцию, является гидрогеназа , но гидрогеназа теряет эту функцию в присутствии кислорода. Мелис также обнаружила, что истощение количества серы, доступной водорослям, прерывает их внутренний поток кислорода, предоставляя гидрогеназе среду, в которой она может реагировать, заставляя водоросли производить водород. [28] Chlamydomonas moewusii также является перспективным штаммом для производства водорода. [29] [30]

Промышленный водород

[ редактировать ]

За биоводород, по крайней мере для коммерческого применения, конкурируют многие зрелые промышленные процессы. Паровая конверсия , природного газа иногда называемая паровой конверсией метана (SMR), является наиболее распространенным методом производства массового водорода, на долю которого приходится около 95% мирового производства. [31] [32] [33]

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ М. Рёгнер, изд. (2015). Биоводород . Грютер. ISBN  978-3-11-033673-3 .
  2. ^ Ю.-Х. Персиваль Чжан «Производство водорода из углеводов: мини-обзор» в серии симпозиумов ACS «Устойчивое производство топлива, химикатов и волокон из лесной биомассы», 2011 г., том 1067, страницы = 203–216.
  3. ^ Виджаясекера, Сачиндра Чамоде; Хьюаге, Касун; Сиддики, Усама; Хеттиаратчи, Патрик; Садик, Рехан (29 января 2022 г.). «Технологии преобразования отходов в водород: критический обзор технико-экономической и социально-экологической устойчивости» . Международный журнал водородной энергетики . 47 (9): 5842–5870. Бибкод : 2022IJHE...47.5842W . doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.11.226 . ISSN   0360-3199 . S2CID   245348607 .
  4. ^ Болатхан, Кенжегул; Косалбаев Бекжан Д.; Заядан, Болатхан К.; Томо, Тацуя; Везироглу, Т. Неджат; Аллахвердиев, Сулейман И. (01.03.2019). «Продуцирование водорода из фототрофных микроорганизмов: реальность и перспективы» . Международный журнал водородной энергетики . 44 (12): 5799–5811. Бибкод : 2019IJHE...44.5799B . doi : 10.1016/j.ijhydene.2019.01.092 . ISSN   0360-3199 . S2CID   104465557 .
  5. ^ Василиаду, Иоанна А.; Берна, Антонио; Манчон, Карлос; Мелеро, Хуан А.; Мартинес, Фернандо; Эстев-Нуньес, Авраам; Пуйоль, Даниэль (2018). «Биологические и биоэлектрохимические системы для производства водорода и фиксации углерода с использованием пурпурных фототрофных бактерий» . Границы энергетических исследований . 6 . дои : 10.3389/fenrg.2018.00107 . ISSN   2296-598X .
  6. ^ Тауэр, РК (1998). «Биохимия метаногенеза: дань уважения Марджори Стивенсон» . Микробиология . 144 : 2377–2406. дои : 10.1099/00221287-144-9-2377 . ПМИД   9782487 .
  7. ^ Любиц, Вольфганг ; Огата, Хидеаки; Рюдигер, Олаф; Рейджерс, Эдвард (2014). «Гидрогеназы». Химические обзоры . 114 (8): 4081–148. дои : 10.1021/cr4005814 . ПМИД   24655035 .
  8. ^ Винье, Полетт М.; Биллоуд, Бернар (1 октября 2007 г.). «Происхождение, классификация и биологическая функция гидрогеназ: обзор» . Химические обзоры . 107 (10): 4206–4272. дои : 10.1021/cr050196r . ISSN   0009-2665 . ПМИД   17927159 .
  9. ^ Земля, Хенрик; Чекальди, Пьер; Месарош, Ливия С.; Лоренци, Марко; Редман, Холли Дж.; Зенгер, Мориц; Стрипп, Свен Т.; Берггрен, Густав (6 ноября 2019 г.). «Открытие новых [FeFe]-гидрогеназ для биокаталитического производства H2» . Химическая наука . 10 (43): 9941–9948. дои : 10.1039/C9SC03717A . ISSN   2041-6539 . ПМЦ   6984386 . ПМИД   32055351 .
  10. ^ Гринтер, Рис; Кропп, Эшли; Венугопал, Хари; Зенгер, Мориц; Бэдли, Джек; Каботахе, принцесса Р.; Цзя, Рую; Дуань, Цзехуэй; Хуан, Пин; Стрипп, Свен Т.; Барлоу, Кристофер К.; Белоусов, Мэтью; Шафаат, Ханна С.; Кук, Грегори М.; Шиттенхельм, Ральф Б. (март 2023 г.). «Структурные основы бактериального извлечения энергии из атмосферного водорода» . Природа . 615 (7952): 541–547. Бибкод : 2023Natur.615..541G . дои : 10.1038/s41586-023-05781-7 . ISSN   1476-4687 . ПМЦ   10017518 . ПМИД   36890228 .
  11. ^ Морра, Симона (2022). «Фантастические [FeFe]-гидрогеназы и где их найти» . Границы микробиологии . 13 : 853626. дои : 10.3389/fmicb.2022.853626 . ISSN   1664-302X . ПМЦ   8924675 . ПМИД   35308355 .
  12. ^ Jump up to: а б Лу, Юань; Ку, Джамин (ноябрь 2019 г.). «Чувствительность к O2 и активность гидрогеназ по производству H2 - обзор» . Биотехнология и биоинженерия . 116 (11): 3124–3135. дои : 10.1002/бит.27136 . ISSN   1097-0290 . ПМИД   31403182 . S2CID   199539477 .
  13. ^ 2013 - Гимпел Дж. А. и др. Достижения в области инженерии микроводорослей и применения синтетической биологии для производства биотоплива.
  14. ^ Хемшемайер, Аня; Мелис, Анастасиос; Хаппе, Томас (2009). «Аналитические подходы к фотобиологическому производству водорода одноклеточными зелеными водорослями» . Исследования фотосинтеза . 102 (2–3): 523–540. Бибкод : 2009PhoRe.102..523H . дои : 10.1007/s11120-009-9415-5 . ISSN   0166-8595 . ПМК   2777220 . ПМИД   19291418 .
  15. ↑ Водоросли с проводными мутантами - это водородная фабрика. Архивировано 27 августа 2006 г., в Wayback Machine.
  16. ^ «Дальнейшее чтение — Новый учёный» . Архивировано из оригинала 31 октября 2008 г. Проверено 11 марта 2009 г.
  17. ^ Мелис, Анастасиос; Чжан, Липин; Форестье, Марк; Жирарди, Мария Л.; Зайберт, Майкл (1 января 2000 г.). «Устойчивое фотобиологическое производство газообразного водорода при обратимой инактивации выделения кислорода в зеленой водоросли Chlamydomonas Reinhardtii» . Физиология растений . 122 (1): 127–136. дои : 10.1104/стр.122.1.127 . ISSN   1532-2548 . ПМК   58851 . ПМИД   10631256 .
  18. ^ Jump up to: а б Сюй, Чжицзюнь; Ван, Шэнлян; Чжао, Чуньюй; Ли, Шансонг; Лю, Сяомань; Ван, Лей; Ли, Мэй; Хуан, Синь; Манн, Стивен (25 ноября 2020 г.). «Фотосинтетическое производство водорода капельными микробными микрореакторами в аэробных условиях» . Природные коммуникации . 11 (1): 5985. Бибкод : 2020NatCo..11.5985X . дои : 10.1038/s41467-020-19823-5 . ISSN   2041-1723 . ПМЦ   7689460 . ПМИД   33239636 . Доступно по лицензии CC BY 4.0 .
  19. ^ Педен, Э.А.; Бём, М.; Малдер, Д.В.; Дэвис, Р.; Старый, ВМ; Кинг, военнопленный; Жирарди, МЛ; Дубини, А. (2013). «Идентификация глобальных сетей взаимодействия ферредоксина у Chlamydomonas Reinhardtii» . Журнал биологической химии . 288 (49): 35192–35209. дои : 10.1074/jbc.M113.483727 . ISSN   0021-9258 . ПМЦ   3853270 . ПМИД   24100040 .
  20. ^ Волгушева А.; Стайринг, С.; Мамедов, Ф. (2013). «Повышенная стабильность фотосистемы II способствует выработке H2 у Chlamydomonas Reinhardtii, лишенной серы» . Труды Национальной академии наук . 110 (18): 7223–7228. Бибкод : 2013PNAS..110.7223V . дои : 10.1073/pnas.1220645110 . ISSN   0027-8424 . ПМЦ   3645517 . ПМИД   23589846 .
  21. ^ «Исследования создают живые капли, производящие водород, прокладывая путь к альтернативному источнику энергии будущего» . физ.орг . Проверено 9 декабря 2020 г.
  22. ^ Греве, С.; Баллоттари, М.; Алькосер, М.; Д'Андреа, К.; Блифернес-Класен, О.; Ханкамер, Б.; Массснуг, Дж. Х.; Басси, Р.; Крузе, О. (2014). «Светособирающий комплексный белок LHCBM9 имеет решающее значение для активности фотосистемы II и производства водорода у Chlamydomonas Reinhardtii» . Растительная клетка . 26 (4): 1598–1611. дои : 10.1105/tpc.114.124198 . ISSN   1040-4651 . ПМК   4036574 . ПМИД   24706511 .
  23. ^ Кирст, Х.; Гарсия-Сердан, JG; Цурбригген, А.; Рюле, Т.; Мелис, А. (2012). «Усеченный размер антенны хлорофилла фотосистемы у зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii после делеции гена TLA3-CpSRP43» . Физиология растений . 160 (4): 2251–2260. дои : 10.1104/стр.112.206672 . ISSN   0032-0889 . ПМК   3510145 . ПМИД   23043081 .
  24. ^ Выращивание водорода для автомобилей завтрашнего дня.
  25. ^ «5.15C: Механизм фиксации азота» . Свободные тексты по биологии . 11 мая 2017 г. Проверено 7 апреля 2023 г.
  26. ^ Таманьини, Паула; Аксельссон, Рикард; Линдберг, Пиа; Оксельфельт, Фредрик; Вюнширс, Рёббе; Линдблад, Питер (март 2002 г.). «Гидрогеназы и водородный обмен цианобактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 66 (1): 1–20. дои : 10.1128/ММБР.66.1.1-20.2002 . ISSN   1092-2172 . ПМК   120778 . ПМИД   11875125 .
  27. ^ Водоросли: электростанция будущего?
  28. ^ «Мультиплатформенная кинозвезда» . Проводной . 01 апреля 2002 г. Архивировано из оригинала 20 октября 2012 г.
  29. ^ Мелис А., Хаппе Т. (2001). «Производство водорода. Зеленые водоросли как источник энергии» . Физиол растений . 127 (3): 740–748. дои : 10.1104/стр.010498 . ПМК   1540156 . ПМИД   11706159 .
  30. ^ Ян, Шихуэй; Гварниери, Майкл Т; Смолинский, Шарон; Жирарди, Мария; Пиенкос, Филип Т (2013). «Транскриптомный анализ de novo продукции водорода зеленой водорослью Chlamydomonas moewusii посредством RNA-Seq» . Биотехнология для биотоплива . 6 (1): 118. дои : 10.1186/1754-6834-6-118 . ISSN   1754-6834 . ПМЦ   3846465 . ПМИД   23971877 .
  31. ^ П. Хойссингер, Р. Лохмюллер, А. М. Уотсон, «Водород, 2. Производство» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2012, Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.o13_o03
  32. ^ Огден, Дж. М. (1999). «Перспективы строительства инфраструктуры водородной энергетики». Ежегодный обзор энергетики и окружающей среды . 24 : 227–279. дои : 10.1146/annurev.energy.24.1.227 .
  33. ^ «Производство водорода: риформинг природного газа» . Министерство энергетики . Проверено 6 апреля 2017 г.
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Biohydrogen&oldid=1232461711#Production_by_algae"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 77b76b2c13fa0ae9522a57fd6d1f4bb6__1720030380
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/77/b6/77b76b2c13fa0ae9522a57fd6d1f4bb6.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Biohydrogen - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)