Биотехнология

роста и метаболизма, чрезвычайно стабильными ферментами, необычной для

остальных бактерий устойчивостью к этанолу (до 15% и более). Термофилы

способны к биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол. Так,

Thermoanaerobium brockii сбраживает крахмал, Clostridium thermocellum —

целлюлозу, Cl. thermohydrosulfuricum утилизирует продукты деградации

целлюлозы с очень высоким выходом спирта. Перспективно применение

экстремально термофильного продуцента спирта Thermoanaerobacter

ethanolicus. Планируют использование также ацидофильных (оптимум рН 1,5) и

галофильных продуцентов спирта.

Повышение выхода спирта и стабилизация активности его продуцентов могут

быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так, эффективный синтез этанола

осуществлен с применением клеток Z. mobilis, иммобилизованных на

хлопчатобумажных волокнах (S. Prentis, 1984).

Получение метана и других углеводородов.

Получение метана — важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. Он

получается в виде биогаза — смеси метана и СО2. Присутствие СО2

ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в

зависимости от соотношения СН4/СО2 составляет 20,9—33,4 кДж/м3. Содержание

метана в биогазе варьирует от 50 до 85%.

Непосредственно к образованию метана способна небольшая группа

микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жизнедеятельность

метанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях.

Субстратами для образования метана могут служить муравьиная и уксусная

кислоты, метанол, газовые смеси (Н2 + СО, Н2 + СО2). Поскольку биогаз

практически получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала,

белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образования применяют

многокомпонентные микробные ассоциации.

Наряду с метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций входят

микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и

уксусную кислоты, Н2, СО и т. д. Примером может служить метаногенная

ассоциация «Methanobacillus Kuzneceovii», образующая метан при разложении

биомассы водорослей (Чан Динь Тоай, 1984).

Процесс метанобразования отличается высокой эффективностью: до 90—95%

используемого углерода переходит в метан. Поэтому метаногенные ассоциации с

успехом используют для очистки сточных вод от органических загрязнений с

одновременным получением высококалорийного топлива. До 5—10% потребленного

углерода превращается в биомассу, которая также находит применение.

Используют как жидко-, так и твердофазные процессы получения биогаза

(биогазификации).

Наряду с биогазом метаногенные ассоциации образуют другие ценные продукты,

например витамин В12 После переработки органического субстрата в биогаз

остается материал, представляющий собой ценное минеральное (азотное и

фосфорное) удобрение.

Получение биогаза — процесс, отличающийся простотой оборудования и

доступностью сырья, требует небольших капиталовложений. В Китае, Индии,

ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят

подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку

сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10—15 л,

достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из пяти

человек.

Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов —

продуцентов углеводородов как заменителей топлива. Это микроводоросли —

Botryacoceus, Isochrysis, Nanochlo-ropsis и др. Углеводороды накапливаются

в значительных количествах — до 80% сухой массы клеток. В США действует

ферма для выращивания водорослей с суммарной площадью водоемов 52 тыс.

гектаров, дающая около 4800 м3 жидких углеводородов в сутки. Для улучшения

топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают

гидрированию (Г Н Чернов, 1982).

Получение водорода как топлива будущего.

Получение водорода как топлива пока остается на уровне поисковых

разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н2О,

отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г.

Химический и электрохимический способы получения Н2 неэкономичны, поэтому

заманчиво использование микроорганизмов, способных выделять водород. Такой

способностью обладают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные

и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и

некоторые простейшие (Е. Н. Кондратьева, И. Н. Го-готов, 1981). Процесс

протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.

Гидрогеназа — фермент, содержащий FeS-центры. Она катализирует реакцию

2Н+ + 2е- = Н2

Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной

гидрогеназы в состав искусственных Н2-генерирую-щих систем. Сложной

проблемой является нестабильность изолированного фермента и быстрое

ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом.

Повышение стабильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилизацией

(Чан Динь Тоай, 1984; Y. Nosaka et. al., 1986). Иммобилизация предотвращает

ингибирование гидрогеназы кислородом.

Предложено много вариантов модельных систем, катализирующих образование

водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаются механизмом

улавливания энергии света и содержат хлоропласты или изолированный из них

хлорофилл, а также восстановленные никотинамидные нуклеотиды. Некоторые

системы наряду с водородом образуют кислород: в этом случае речь идет о

биофотолизе воды.

Примером может служить система хлоропласт — ферредоксин — гидрогеназа.

Ферредоксин служит промежуточным переносчиком электронов от

фотосинтетической цепи хлоропластов к добавленной гидрогеназе. Серьезной

проблемой является поддержание низкого парциального давления этих газов, с

тем чтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина

на флавопротеид или метилвиологен система образует только Н2. Флавопротеид

и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу от ингибирования

кислородом. Разрабатываются системы с изолированным хлорофиллом, встроенным

в детергент ные мицеллы или липосомы вместе с гидрогеназой. Предложена

также система с гидрогеназой, иммобилизованной в агарозном геле, с которым

прочно связан полимерный виологен и металлопорфирин, аналог хлорофилла.

Водород получают также с применением целых клеток микроорганизмов,

стабильность которых возрастает при их иммобилизации. Высокоэффективными

продуцентами Н2 являются пурпурные фототрофные бактерии, например

Rhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации в агарозном геле дают до

180 мкмоль Н2 за 1 ч в пересчете на 1 мг бактериохлорофилла (М. Tadashi, A.

Akira, 1983). Важное направление работ — поиск продуцентов Н2 с устойчивой

к О2 гидрогеназой.

Другим ферментом, катализирующим выделение водорода, является нитрогеназа.

У всех микроорганизмов нитрогеназа состоит из двух, компонентов, а именно

из MoFeS-протеида (молибдоферредоксина) и FeS-протеида (азоферредоксина).

Основной функцией нитрогеназы является восстановление молекулярного азота:

N2 + 8H+ + 8е- + nАТФ -> 2NH3 + Н2 + nАДФ + nфосфорная кислота

В отсутствие основного субстрата (N2) нитрогеназа катализирует

энергозависимое

восстановление Н+ с образованием Н2. Переключение фермента с одного режима

работы на другой является технологической проблемой. Один из путей решения

— получение штаммов микроорганизмов с нитрогеназой, не утилизирующей азот.

В Японии получен штамм Anabaena sp., который осуществляет биофотолиз воды в

режиме, не чувствительном к Н2, О2 и N2. Повышению эффективности

биофотолиза воды способствует чередование периодов функционирования

биообъекта как продуцента Н2 и О2 с периодами «отдыха», когда клетки

фотоассими-лируют СО2 (вводимый на этот период в среду культивирования).

Возможно комбинирование процессов получения Н2 и других ценных продуктов. В

частности, представители рода Clostridium дают органические растворители и

в то же время обладают активной гидрогеназой. Если в реакторе с культурой

Cl. saccharo-perbutylacetoniocum не создавать оттока для выделяющегося Н2,

то наблюдается ингибирование образования Н2 и эффективный синтез бутанола,

ацетона и этанола. Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с

довольно активным образованием Н2 культура синтезирует лишь этанол. Этот

пример иллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического

процесса условиями культивирования биообъекта.

Таким образом, предложены разнообразные проекты систем для получения

водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательстве человека в

процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно более полного

превращения в энергию химической связи в молекуле Н2.

Пути повышения эффективности фотосинтетических систем.

Рассчитанная теоретически эффективность фотосинтеза, т. е. коэффициент

превращения световой энергии в химическую энергию органических веществ,

близка к 15%. Фактически, однако, наиболее продуктивные культурные растения

запасают не более 1,5—2% энергии падающего света. Актуальная проблема

технологической биоэнергетики — повышение эффективности фотосинтеза у

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10