1598005375-fdca24712b4dd3cd0f1922045b94d243 (811202), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Может, например, быть применен хторофилл, получаемый нз зеленых водорослей либо путем синтеза. Уже есть сообщения о результатах исследований, дающих возможность в перспективе получать «искусственный» хлорофилл со скоростью, превышающей скорости этого процесса в природных системах, $ 8.7. Варианты энергетических биотехноногий Живые организмы могут непосредственно вырабатывать электроэнергию. Обратимся к фотосинтезу, представив его как процесс переноса электрического заряда.
В фотосинтезируюшем аппарате клетки под действием облучения непрерывно генерируется фототок, а участвующие в этом процессе биоэлементы играют роль «электронного насоса», совершающего работу против сил термодпнамического потенциала от молекулы воды к соединениям, близким по электрохимичсскому потенциалу к водородному электроду [61. Это позволило создать топливные элементы, в которых химическая энергия органических и даже некоторых неорганических веществ преобразуется в электрическую с помощью сорбированных противоположных окисляющпх и восстанавливаюппгх ферментов либо бактерий илп микроводорослей, синтезирующих этп ферменты. Например, разработаны биоэлектрические топливныс элементы, на аноде которых водородогенными бактерпямн выделяется водород, а на катоде восстанавливается кислород, образованный хлореллой. Несколько лет назад появились сообщения о создании такого элемента с морской водой в качестве электролита, обеспечивающего плотность тока О,!5— 1,25 мА?см' прн напряжении 0,8 — 0,95 В.
Подобные элементы предполагалось использовать в качестве источников питания для автономных буев и маяков, но, очевидно, сложности, связанные с необходимостью поддерживать определенные условия для существования и водорослей, и бактерий оказались непреодолимыми либо живые генераторы просто не смогли выдержать конкуренцию с проверенными химическими источниками.
Работы в этой области ведутся уже более 20 лет. Так, например, еще в 196! г. французские специалисты описали гальванический элемент с растворимым анодом из магния н стальным катодом с помещенной на нем колонией бактерий (?)езпИоугЬПо безпИоысапз), в котором в качестве электролита используется морская вода с добавкой лактата натрия для питания бактерий. На аноде элемента происходил процесс выделения в раствор ионов магния. Мд Мд'«'+ 2е, (8.6) на катоде — процесс восстановления молекулы воды до гидрокснльного иона 2Н,О+ 2е- 2(Н)++ 2(ОН) . (8.7) Одновременно на катоде шел процесс биохимического превращения сульфатных групп под воздействием бактерий . 8Н + 280я~~ 26' + 4Н»0.
(8.8) При этом бактерии выступали в роли переносчиков электронов на внутреннем участке электрической цепи. 212 Возможно размещение колонии бактерий (рода Нубгобепошопаз), восстанавливающих кислород, донором которого служит водоросль хлорелла на катоде. Для подкормки микроорганизмов в электролит вводили дополнительные питательные вещества либо использовали вещества, содержащиеся в морской воде":. В этой же заявке описан механизм работы биохимического топливного элемента с нерасходуемыми электродами, покрытыми колониями живых организмов. На аноде помещались бактерии (Рзепдошопаз), потребляютцие кислород, на катоде — сине-зеленая водоросль, его выделяющая. Таким образом, на катоде элемента идет реакция восстановления кислорода до ОН-, а на аноде — образование кислорода, поглощающего бактериями.- 20Н О+ НвО+ 2е.
(8.97 Кислород присутствует, таким образом, и у катода, и у анода, нг» только с различным парциальвым давлением. Возможна наконец, реализация такого элемента с нерасходуемыми электродами, в котором на них протекали бы различные микробиологические процессы. В частности, описан элемент, на аноде которого окисляется водород, выделяемый водородогенными бактериями, а на катоде восстанавливается кислород, образуемый в результате жизнедеятельности водорослей. Практически,. это тип «живого» водородо-кислородного топливного элемента. С помошыо элементов описанного класса получены плотности токов в диапазоне 0,15 — 1,25 мЛ/см' при напряжении 0,8 — 0,95 В.. Другой вариант биологических электрогенераторов — генераторы, основанные на использовании ферментов, в которых происходит дегидрогенизация углеводородов.
Например, на аноде такого генератора может идти реакцяя вида 2Н 2Н+ + 2е или 2Н+ 20Н 2НгО+ 2е, а на катоде— О, + 2Н,О+ 4е 40Н . (8. 1?г Реакция дегидрогенизации катализируется, например, бактериями рода Хосагб!а. Образующийся в результате водород окисляется на аноде либо до иона, либо до молекулы воды в зависимости от величины рН электролита.
Образовавшиеся на катоде. гидроксильные ионы мигрируют в электролите к аноду, где нейтрализуются. Работает этот элемент также по принципу топливного элемента. В этом направлении уже были получены обнадеживающие результаты: есть сообщение о создании стабильногэ лабораторного биологического топливного элемента, способногг» работать месяцами. ' Заявка Фракция № 1303200, 136! г.
Вообще же проблема повышения стабильности биогснератоРов — одна из наиболее важных на пути нх создания. Биоснстемам свойственно старение, связанное с естественным разрушением (де.натурацией) белков и биологических мембран. Время жизни хлоропластов в лабораторных установках длится от нескольких часов до нескольких суток. Повысить время жизни биосистем можно за счет использования целых или модифицированных клеток микроорганизмов, остающихся «работоспособными» до нескольких месяцев.
Система из неповрежденных микроорганизмов прп сохранении благоприятных условий может существовать «вечно» за счет постоянной возобновляемости. Разработка «живых» электрогенераторов на основе водорос.лей и бактерий, равно как и создание подобных производителей водорода,— одна из возможных альтернатив на будущее. Правда, здесь нельзя обойтн утке существующие в природе биологические электрогенераторы — генерируюгцие электрические импульсы ткани электрических рыб. Известно более 300 видов рыб, имеющих электрические органы, позволяющие их владельцам ориентироваться в пространстве, отыскивать пшцу, защищаться от нападения хищников и оглушать жертвы. Электрические угорь и сом, например, генерируют импульсы тока около 1 А при напряжешш до 400 В, элек.
трпческий скат — импульсы тока 50 А при напряжении 45 — 60 В. Разряды обычно состоят из нескольких (порядка десяти) импульсов длительностью от 2 до 4 мс. Электрический скат может производить до 150 разрядов в час. Основной элемент электрических организмов таких рыб — ви.доизмененная мускульная клетка, так называемая «электрическая пластинка». Пластинки «собраны» в призмы, призмы — в электрические органы. Электрические угри, обитающие в реках Южной Америки, например, имеют объемистые электрические органы, занимающие до 415 длины тела при массе, равной до !/3 массы тела (рис. 8.16). В каждой из семидесяти призм угря со.держатся 6 — 10 пластинок, их поверхности покрыты сосочками, к пластинкам подходит множество нервных окончаний.
Появление разности потенциалов на противоположных сторонах пластинки объясняется изменением содержания ионов калия за счет изменения проницаемости для них стенок клетки под дей-. ствием нервного импульса. При этом снаружи клеток преобладают положительные, а внутри — отрицательные заряды. Быстродействие механизма образования зарядов чрезвычайно велико— тысячные доли секунды. Величина разности потенциалов на одну пластинку достигает 150 мВ (электрический угорь). Трудно представить, чтобы имело смысл разводить электрических рыб для получения электроэнергии, но вполне вероятно, что в будущем методами, например, генной инженерии можно бу.дет создать самостоятельно живущий в искусственных условиях " Дажоз Р.
Электрические рыбы.— Наука и жизнь, 1966, № 10, с. 60 — 66. '214 электрический орган с достаточными для практических целей параметрами выходного тока. Пока работы с электрическими рыбамп не выходят за рамки нсследовательских. Изучаются условия их жизни, природа, поведенческие реакции. Например, американским исследователем Ф.
Мандриотой показано, что такие рыбы поддаются дрессировке и могут выдавать электрические. разряды по команде. На основе принципов электрической локации, вероятно подмеченных у электрических рыб, уже созданы. Рис. 8.16. Электрический угорь и его «электрогенератора (по Р. Дажозу)т а — электрическая пластинка„ .б — схема соедине- ния пластинок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
