1598005375-fdca24712b4dd3cd0f1922045b94d243 (811202), страница 44
Текст из файла (страница 44)
На культуре клеток быто показано, что заметное выделение фотоводорода начинается через 45 мпн анаэробного состояния, причем максимум производительности водорода достигается через 3 — 5 ч выдерживания культуры клеток без кислорода. В клетках же, обработанных ацетатом натрия, выделение водорода отмечалось уже через 10 — 15 мин анаэробиозпса, а максимум активности наступал через 2 ч. На производительность клеток влияли различные органические субстраты, повышающие энергообмен. Интересные результаты получены при экспериментальном изучении процесса одновременного получения водорода и кислорода путем биофотолиза воды, осуществляемого в анаэробных усло виях той гке водорослью в кювете, освещаемой лампой накаливания, дававшей интенсивность облучения !25 Вг1м' [54], Облучение культуры длилось 3 ч, а последующая выдержка в темноте— 1 ч.
Скорость образования На н О, сохранялась практически постоянной в течение более чем !00 ч н составляла для водорода примерно 2,4 10-о, а для кислорода — О,б !Π— о моль/ч на 1 мг водоросли. Важно отметить, что у второго поколения водорослей, 3Л выращенного из обесцветившихся за 100-часовой цикл клеток н восстановившего свой зеленый цвет, наблюдалось многократное увеличение скорости образования водорода и кислорода, составившей в первые 20 ч примерно 35 и 23 1Π— о мольГч на 1 мг, а за 100-часовой цикл в среднем ! 1,6 10-» соответственно.
После этого водоросли сохраняли свою продуцирующую способность в течение еще !40 ч на уровне, превышающем производительность первого поколения в 100-часовом цикле примерно на 30 % . Использовать живую клетку для получения фотоводорода при изменении внешних условий заманчиво, но нс менее интересно дополнить фотосиптезирующий механизм растения аппаратом, использующим часть энергии фотосинтеза с тем, чтобы растение могло нормально существовать, производя одновременно требуемый энергоноситель.
Идея такого направленного изменения подсказана самой природой: у ряда растений под воздействием секретов, выделяемых насекомыми, или под воздействием бактерий происходит видоизменение тканей и образуются вздутия — так называемые галлы, в которых поселяются организмы — галлообразователи. В галлах происходит процесс изменения природы тканей, и процесс фотосинтеза как бы поворачивает вспять: образованные одной частью растения углеводы здесь разлагаются с выделением нужных организмам-паразитам водорода или метана. Этот про-, цесс описывается следующим образом (см., например, [61) пН,О+ СО, к"к «» "" --(СН,О) и + пО, (фотосинтез) (СН,О) в+ вН,О '»"'к "- вСО»+ 2вН» (разложение) 2НеО 2Н» + 0» (8.5) На стадии разложения катализ может осуществляться как в самой клетке, так и бактериями.
Например, для бобовых характерным галлообразователем служит бактерия физобиум (Рп!зо1»!нт). Подсчитано, что плантации соевых бобов за счет деятельности этой бактерии выделяют в атмосферу ежегодно около 30 млрд. м' водорода. А это эквивалентно примерно 0,2 % всей энергии, потребляемой в настоящсе время США. Конечно, собрать такой водород не представляется возможным, но почему бы нс создать растение, в галлах которого происходило бы интенсивное его образование в количестве, достаточном для промышленного использованпяр И в этом направлении работы ведутся в исследовательских.
центрах мира. В Международном институте прикладного систем- ' ного анализа (Лаксенбург, Австрия) ', например, Ч. Маркетти работает над созданием «водородного дерева», в котором процессы, описанные выше, происходили бы по схеме, приведенной на рис. 8.12. Листва «водородного дерева» должна, как и у обычного дерева, служить естественным коллектором солнечного излу» Курьер ЮНЕСКО, 1981, № 3, с.
31. чения, а произведенный в галле водород, отведенный по трубам в хранилище, станет его продукцией. Есть вполне обоснованные надежды, что современные методы генной инженерии позволят действительно создать подобное дерево, тем более, что в природе существуют аналоги. Как такое дерево будет размножаться, как будет относиться к изменению погодных условий, к загрязнениям в среде, как будет противостоять вредителям — ца эти и другие вопросы егце предстоит ответить. Однако уже сейчас можно сказать, что за приобретение новых свойств иногда приходится рас- аа йр а х ! .и лпсл~[са, гн,а-!сан,) 3,1'- l (сан )в 1 са 4 г«г — — — —--- сан +н а аа~'2Н« гпвл Рис. 8Л2.
«Водородное дерево» Ч. Маркет»в плачиваться утратой старых, часто жизненно важных. Какова будет цена «водородного дерева» пока никто не может сказать. Еще один путь биотехнологии в энергетикс — создание искусственных биологических систем для получения водорода и кислорода нли фотосинтезирующнх веществ, запасающих в той или иной форме солнечную энергию. Здесь работа также ведется по нескольким направлениям. Отметим только два из них — создание искусственных систем па основе «деталей» живых клеток и создание систем, имитирующих деятельность клеток, на основе химических веществ. В первом варианте (рис.
8.13) используется фотосинтезирующая структура, аналогичная фотореакцнонному центру ФС-П (см. рис. 8.3), продукция которой — соединение водорода с какимто бнотранспортирующим веществом — подается в объем, занятый катализатором. В этом объеме водород и выделяется. Во втором варианте имитируется работа уже обоих реакционных центров. За счет искусственного разделения процессов разложе- 14 Заказ Ьт 402 ния воды и выделения водорода в таких системах оказывается возможным снизить интенсивность обратных реакций и увеличить в ы ход водорода.
и) ~~!Ь И ~~ ~/гр Рнс. 8ЛЗ. Принцип устройства искусственной фотобиологической системы !6]: с — с использованием катализатора; б — с использованием двух фотобнологическик центров Пример конструкции «живого генератора» по второму варианту дан на рис. 8.!4. В противоположность устройству фотосинтетической системы сине-зеленых водорослей реакционный центр ФС-1 вместе со способной к реверсии гидрогеназой помещен здесь по одну сторону мембраны, а ФС-П с водорастворимым белком — ' р, Рис. 8.16. Физические размеры «живого генератора водорода» !74!.
П Л вЂ” защитные лаффуанонные мембраны; у. а — фотосактеанрующае моморааьо а -- барьерна» ыыбрааа Рис. 8Л4. Конструкция «живого ге- нератора водорода» !74! по другую. Роль барьерной мембраны сводится к предотврапгеншо обратного воссоединения молекул Н, и Оз (мембрана «прозрачна» только для ионов водорода и электронов, переносимых в ней двумя различными переносчиками С и Д, как бы «вмонтированными» в нее). О размерах такого генератора дает представление рис. 8.!5. Генератор выполнен пз набора мембран разной толщины п природы, Верхняя и нижняя — защитные мембраны.
Молекулы водо- 210 14» 2!1 рода и кислорода диффундируют через эти мембраны в одном направлении, а питавшая фотоцентры вода с растворенными в ней необходимыми питательными веществами — в другом. Фотосинтетвчсские мембраны состоят пз плотно упакованных пузырьков диаметром 60 нм, занимающих примерно 70% объема мембран. Каждый пузырек содержит около 5000 молекул пигмента и примерно 50 реакционных центров. Мембрана в пузырьках ФС-1 содержит пигмент от зеленых бактерий, в пузырьках ФС-П заключен пигмент сине-зеленых морских водорослей.
Толщина фотосинтетических мембран выбрана так, чтобы в нвх полностью поглощались кванты солнечного света с соответствующей длиной волны. Барьерная мембрана по предположению исследователей должна иметь толщину не более 10 — 20 им. Для изготовления такой мембраны требуется полимерный материал, обладающий чрезвычайно низкой «прозрачностью» для водорода и кислорода. В качестве переносчиков электронов внутри мембраны может быть использован диметилбензохинон, а протонов — динитрофенол. Теоретически скорость переноса заряда электронами и протонами через барьерную мембрану будет составлять примерно 10-' Кл/(см'с). Такая скорость обеспечивает максимальную возможную выработку водорода, ограничивая производительность . генератора.
М. Олссоном и Ж. Бернштейном [74) рассчитаны характеристики водородного генератора для освещенности 740 Вт/мз в предположении о !0%-ном преобразовании энергии. Так как для освобождения 1 моля водорода из воды требуется 237 кДж, то скорость его получения должна быть 31,2 нмоль/см'/с или 0,7 мм'/см'/с. Скорость производства кислорода соответственно в 2 раза меньше. Лвторы предполагают, что удастся довести парцпальное давление водорода в генераторе до !04 Па и выпускать при этом кислород в атмосферу, где его парцпальное давление составляет 9 !О' Па.
Они обещают, что через 5 — !О лет активных исследований можно рассчитывать на создание действующего солнечно-водородного генератора. В системах, имитирующих процессы биофотолиза живых клеток, для разложения воды используются различные органические и неорганические катализаторы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
