Ученые нашли способ продлить срок службы цианобактерий, производящих водород, защитив их от повреждения кислородом.
Цианобактерии миллиарды лет назад помогли сформировать жизнь на Земле, производя кислород посредством фотосинтеза. Сегодня ученые рассматривают эти же микроорганизмы как потенциальные инструменты для производства чистой энергии, особенно в гонке за разработку устойчивого водородного топлива.
Исследователи из Германии и Португалии разработали новый метод, позволяющий дольше сохранять активность цианобактерий, производящих водород. Этот прорыв решает одну из самых больших проблем биологического производства водорода: воздействие кислорода.
Международная группа исследователей разработала электрохимическую систему, которая защищает чувствительные ферменты внутри цианобактерий от повреждения кислородом во время фотосинтеза. Результаты их работы были опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition и могут послужить основой для будущих технологий возобновляемого водорода.
Проблема нехватки кислорода решена
Водород стал одним из главных направлений в глобальном секторе чистой энергетики. Правительства и компании по всей территории Соединенных Штатов продолжают вкладывать значительные средства в низкоуглеродные водородные системы для транспорта, производства, авиации и энергетики. Однако производство водорода без ископаемого топлива остается дорогостоящим и технически сложным процессом.
Цианобактерии, часто называемые сине-зелеными водорослями, в природе осуществляют фотосинтез, используя солнечный свет, воду и углекислый газ. При определенных условиях они также могут производить водород. Эта способность делает их привлекательными для исследований в области возобновляемой энергии, поскольку они не зависят от традиционных промышленных источников топлива.
Проблема заключается в кислороде. В процессе фотосинтеза цианобактерии выделяют кислород, который быстро повреждает ферменты гидрогеназы, ответственные за производство водорода.
Исследователи годами борются с этим противоречием. Существующие методы часто требуют дополнительных химических веществ или внешних источников углерода для удаления кислорода. Такие подходы увеличивают затраты и снижают экологичность. Некоторые системы также потребляют дополнительную энергию, что ограничивает их применение в крупномасштабных проектах.
В новом исследовании предлагается иное решение, позволяющее избежать многих из этих недостатков.
Полимер создает безопасную зону
Ученые из Кассельского университета, Рурского университета в Бохуме и университета NOVA в Лиссабоне внедрили клетки цианобактерий в специально разработанный редокс-полимер, прикрепленный к электроду.
Полимер содержит виологеновые группы, которые вступают в реакцию при приложении электрического потенциала. Эта реакция удаляет кислород непосредственно вокруг клеток, создавая локальную бескислородную среду.
Защищая гидрогеназы от воздействия кислорода, ферменты продолжают работать в течение более длительного времени. Такая установка позволила непрерывно производить водород, в то время как микроорганизмы продолжали осуществлять фотосинтез при воздействии света.
Исследователи охарактеризовали этот процесс как важный шаг на пути к масштабируемому биологическому производству водорода. В отличие от традиционных водородных систем, эта установка основана на живых организмах, которые со временем могут естественным образом восстанавливаться.
«Наш подход сочетает в себе преимущества живых клеток с точностью электрохимических систем», — сказала профессор Кирстин Гутекунст из Касселя. Она добавила, что эта технология может помочь будущим биофотоэлектрическим системам более эффективно преобразовывать солнечный свет непосредственно в водородное топливо.
Модифицированные ячейки повышают производительность.
Команда также генетически модифицировала цианобактерии для дальнейшего улучшения их характеристик. Исследователи связали ферменты гидрогеназы напрямую с фотосистемой I, центральным компонентом фотосинтеза.
Эти генетически модифицированные штаммы производили водород более стабильно и в течение более длительных периодов времени, чем природные цианобактерии в той же полимерной системе. Ученые считают, что эти результаты могут помочь в разработке возобновляемых источников энергии следующего поколения, которые сочетают биологию и электрохимию для более чистого производства водорода.
Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.
Sourse: interestingengineering.com
