Vodik umjesto nafte

Teoretski, vodik koji oslobađaju fotosintetički mikroorganizmi predstavlja dobru alternativu kemijskim tehnologijama. Na slici: mjehurići vodika. Izvor: Paul 's Lab

Teoretski, vodik koji oslobađaju fotosintetički mikroorganizmi predstavlja dobru alternativu kemijskim tehnologijama. Na slici: mjehurići vodika. Izvor: Paul 's Lab

Ruski znanstvenici su na dobrom putu da stvore umjetnu fotosintezu – odnosno, otkriju tehnologiju učinkovitog pretvaranja sunčeve energije u vodik. Ako u tome uspiju, imali bi otvoren put k širokoj i ekonomski isplativoj upotrebi vodika kao energenta.

Svijet je u potrazi za novim obnovljivim izvorima energije koji bi mogli zamijeniti naftu i plin. Kao jedno od mogućih rješenja stručnjaci vide vodik (H2). On bi se teoretski mogao  dobivati fotosintezom. Za to je potrebna voda, sunčeva svjetlost i zelene alge ili cijanobakterije (modrozelene alge). Pored toga, nužno je dokazati da je fotobiološka metoda sinteza vodika dovoljno učinkovita i treba razviti tehnologiju za njezinu (isplativu) industrijsku proizvodnju.


Aljona Volguševa, ruski suradnik na projektu: Zelene mikroalge mogu proizvoditi H2  korištenjem neiscrpnih resursa - vode i solarne energije.

Vrlo važan korak u tom smjeru ostvarili su stručnjaci Sveučilišta u Uppsali (Švedska) i katedre za biofiziku Biološkog fakulteta Moskovskog državnog sveučilišta "M. V. Lomonosov ". Rezultati njihovih istraživanja zaista ulijevaju nadu da bi proizvodnja vodika pomoću zelenih algi mogla biti učinkovita, bez obzira na sumnje mnogih znanstvenika koji su ranije bezuspješno pokušavali ostvariti slične rezultate.

"Vodik je iznimno perspektivno i ekološki čisto gorivo ako ne zaboravimo da je jedini proizvod izgaranja tog plina voda. Vodik koji stvaraju (oslobađaju) fotosintetički mikroorganizmi predstavlja dobru alternativu kemijskim tehnologijama. Zelene mikroalge mogu proizvoditi H2 korištenjem neiscrpnih resursa – vode i solarne energije. Ali nažalost do danas nije riješen problem njegove jeftine (isplative) proizvodnje u dovoljnim količinama, njegovog skladištenja i transporta ", ističe ruska suradnica na projektu, znanstvena novakinja biologije Aljona Volguševa.

Kako to funkcionira u prirodi

Stvaranje H2 vezano je za primarne procese fotosinteze koji se javljaju u složenom pigmentno-proteinskom kompleksu - u fotosustavu II (FS II). Upravo se tamo pod utjecajem svjetlosti voda razlaže na kisik, ione vodika i elektrone. FS II isto tako prenosi elektrone drugim molekulama. Elektroni i ioni vodika mogu se zatim spajati stvarajući H2 pomoću enzima hidrogenaze koji su kod zelenih algi otprilike 100 puta aktivniji nego kod drugih organizama. No, izravna sinteza vodika uslijed fotosinteze nije učinkovita, tj. daje slabe rezultate. Hidrogenaza funkcionira samo u anaerobnim uvjetima, a tijekom fotosinteze stvara se kisik. Prema tome ako želimo dobiti jeftin plin biljnog podrijetla, trebamo razdvojiti faze izdvajanja O2 i sinteze H2. To se može postići kultivacijom zelenih algi Chlamydomonas reinhardtii uz stalno osvjetljenje, u hermetičkim uvjetima i na hranjivoj podlozi bez prisutnosti sumpora.


Kultura zelenih algi Chlamydomonas reinhardtii.

Kisik koji izdvaja FS II može lako stvoriti visokotoksične forme i razarati proteine ​​tog fotosustava. U normalnim uvjetima u stanici dolazi do sinteze novih proteina i fotosustav se stalno obnavlja. U odsutnosti sumpora sinteza pojedinih aminokiselina nije moguća i zato aktivni centri FS II postupno propadaju. Kao posljedica toga brzina fotooksidacije vode i nastanka O2 opada. No, stanice dišu. Kada je brzina stvaranja kisika niža od brzine njegove potrošnje, kultura prelazi u anaerobne uvjete koji su ekstremni za alge Ch. reinhardtii.

Bez kisika sačuvani aktivni centri FS II proizvode više elektrona nego što je zelena alga u stanju iskoristiti. Stanica se njime "guši" i može odumrijeti. Situaciju spašava hidrogenaza koja se aktivira u anaerobnim uvjetima i preuzima višak elektrona koristeći ih za sintezu vodika.

U susret tehnologiji fotosinteze

Istraživači su koristili mutantnu vrstu algi Stm6 kod kojih je brzina disanja znatno veća nego kod stanica divljeg tipa. Kod mutantne kulture koncentracija kisika bi pala na nulu jedan i pol puta brže nego kod običnih algi Ch. reinhardtii. Tako brz nastanak anaerobnih uvjeta omogućuje da ova mutantna kultura sačuva znatan broj aktivnih centara FS II (52% od ukupnog broja), dok bi kod običnih algi ostalo samo 23%. Znanstvenici pretpostavljaju da upravo to omogućuje stanicama mutanta da dvostruko duže oslobađa vodik ali i da uveća njegovu proizvodnju za 4 do 5 puta u usporedbi s običnim algama.


Stanice zelenih algi (C. reinhardtii) oslobođene sumpora (-S) ne izgledaju kao one u normalnim uvjetima (+S). One su dosta uvećane zbog akumuliranog škroba. 

No znanstvenici su morali dokazati da se elektroni upotrijebljeni u sintezi vodika formiraju u stanicama mutanta neposredno u procesu fotosinteze, a ne uslijed biokemijskih reakcija, kao što je na primjer razlaganje nekih spojeva. Istraživači su koristili diuron (DCMU) - tvar koja inhibira (usporava ili sprečava) transport elektrona u FS II. U prisutnosti inhibitora izdvajanje vodika i u kulturi mutanta i u kulturi divljeg tipa opalo bi za oko 80%. Prema tome, oko 80 posto elektrona upotrijebljenih u hidrogenaze potječe od fotosustava FS II, odnosno nastaje uslijed djelovanja sunčeve energije. Preostalih 20% elektrona najvjerojatnije potječe od proizvoda fermentacije škroba koji se u većim količinama akumulira u stanicama lišenim sumpora. 


Eksperiment proizvodnje vodika. Kultura Ch. reinhardtii u zatvorenoj konusnoj boci (erlenmajeru). Aparatura na slici mjeri koncentraciju otopljenog kisika u hranjivoj sredini.

Očito je da fotosinteza može koristiti za učinkovito pretvaranje sunčeve energije u vodik. A činjenica je i da FS II igra ključnu ulogu u fotoindukovanoj proizvodnji H2 pomoću zelenih algi. Istraživači planiraju proučiti i druge mutante s većom brzinom disanja poput Stm6. Takve mutacije omogućuju da se FS II sačuva od štetnog djelovanja kisika i da se uveća proizvodnja H2.

"Ovim istraživanjem ne samo da smo predstavili kvantitativne karakteristike FS II nego smo dali i detaljan opis promjena do kojih dolazi u svim fazama sinteze vodika. Ovakva temeljna istraživanja su vrlo važna jer bez razumijevanja samih osnova nije moguć razvoj praktičnih grana znanosti. Isto tako je važno i to što je istraživanje provedeno nad živim, neoštećenim stanicama, tako da dobiveni rezultati imaju posebnu vrijednost i primjenjivost u praksi što nam omogućuje da pronalazimo nove načine uvećanja proizvodnje H2", ističe Aljona Volguševa.

Ruski tekst na sajtu S & T RF. Ilustracije: S&T RF.