Реферат на тему: Биотехнология. Студент гр. 32-6

2. Технологическая биоэнергетика

Технологическая биоэнергетика — одно из направлений био­технологии, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Это может быть достигнуто путем: 1) превращения биомассы, накопленной в результате фотосинте­за в дешевое и высококалорийное топливо — метан и другие углеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации самого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффективностью используется на образование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО₂ и син­теза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находится идея непосредственного преобразования энергии Солн­ца в электрическую (биофотоэлектрические преобразователи энергии).

Рассмотрим вначале путь, пролегающий через использование биомассы, в первую очередь, растительной, ресурсы которой в мире огромны и оцениваются в 100 млрд. т по сухому веществу в год. Лишь незначительная часть ее расходуется человечеством, но и эта часть дает до 14% потребляемой в мире энергии. Биомасса — не только возобновляемый и почти даровой источ­ник энергии, но и альтернатива тающим запасам полезных ископаемых.

Получение этанола как топлива.

Этанол — экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО₂ и Н₂О. Он исполь­зуется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10—20%-ная добавка к бензину (газохол). В Бразилии уже к 1983 г. 75% автомобилей работали на 95%-ном этаноле, а ос­тальные — на газохоле. В США предполагают заменить на эта­нол 10% потребляемого бензина. Широкое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.

На значительных посевных площадях намечают выращивать сельскохозяйственные культуры, предназначенные для биотех­нологической переработки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает проблема, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилеммой: продо­вольствие или энергия. Производство этанола из растительного сырья не является безотходным: на каждый литр спирта при-

ходится 12—14 л сточных вод с высокой концентрацией отхо­дов, опасных для природных экосистем. Проблема рациональной переработки этих отходов не решена.

Классическим биообъектом, используемым при получении спирта, являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи име­ют ряд недостатков.

1. Конкуренция брожения и дыхания. Субстрат (например, глюкоза) лишь частично сбраживается до этанола. Оставшаяся часть безвозвратно теряется, превращаясь в результате дыхания в СО₂ и Н₂О. Процесс необходимо вести в анаэробных условиях или применять мутанты дрожжей, утратившие митохондрии и не способные к дыханию.

2. Чувствительность к этанолу, которая снижает выход целе­вого продукта на единицу объема биореактора. Получены устойчивые к этанолу мутанты, характеризующиеся измененным строением клеточных мембран.

3. Отсутствие ферментов, катализирующих расщепление крахмала, целлюлозы, ксилана. Необходим предварительный гидролиз субстрата или засев биореактора смешанной культурой, содержащей, помимо S. cerevisiae, микроорганизмы с соответ­ствующей гидролитической активностью.

Бактерия Zymomonas molilis, применявшаяся центрально­американскими индейцами для сбраживания сока агавы, более эффективно сбраживает сахара и более устойчива к этанолу. Дальнейшее повышение устойчивости Z. mobilis к этанолу до­стигается добавлением в среду инкубации Mg²⁺ и ряда нуклео-тидных компонентов.

Термофильные бактерии, продуценты этанола характеризу­ются высокой скоростью 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 культурных растений.

Разрабатывают следующие основные подходы к решению этой проблемы: 1) повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4—5% за счет увеличения площади листьев и их раннего формирования; 2) вмешательство в системы регуляции фотосинтеза — сбалансированное использование фитогормонов, трансплантация регуляторных генов; 3) увеличение скорости роста растений за счет оптимизации водного и минерального питания, что приведет к повышению их фотосинтетической активности; 4) увеличение числа хлоропластов в клетке на единицу площади листа; 5) установление оптимального соотношения между функционирующими реакционными центрами хлорофилла и промежуточными переносчиками электронов, на­пример, цитохромами; 6) увеличение скорости переноса электро­нов между фотосистемами I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов и синтезом АТФ.

Радикальным способом максимизации эффективности фотосин­теза было бы создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блоки фотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобных преобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькими десятилетиями.

Биотопливные элементы.

На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы, превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также катали -тическую активность целых клеток, например Е. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления глюкозы.

Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). По­средником между субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два пути дальнейшей передачи электронов на

элек­трод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный транспорт электронов на электрод (А. И. Ярополов, И. В. Березин, 1985). Конструкция биотопливного элемента позволяет генерировать не только электрический ток, но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в смесь фрук­тозы и глюконовой кислоты.

Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они представляют собой основной компонент биологи­ческих датчиков — биосенсоров, широко применяемых в химиче-

ской промышленности, медицине, при контроле за биотехнологи­ческими процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода. Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают чувствитель­ный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина. Иммобилизация клеток Е. coli на кислородном электроде дает биосенсор для измерения кон­центрации глутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitro-somonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH₄⁺. На биосенсоре протекают следующие превращения: NH₄^{+Nitrosomonas} NO₂ ^Nitrobacter NO₃ Раз­работаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.