Михаил Бухар - Популярно о микробиологии
Солнечная энергия, приходящаяся на единицу освещаемой поверхности, в среднем по земному шару составляет 5,4 кВт × ч/м2 ежедневно. Это означает, что с поверхности площадью всего в 80 квадратных километров можно было бы получить столько же энергии, сколько человечество получает, используя все свои установки для ее производства. Возникает недоуменный вопрос: откуда же дефицит энергии при таком обилии? Буквально купаясь в океане энергии и постоянно испытывая все возрастающую нужду в ней, человечество напоминает мифического Тантала, стоящего по грудь в воде и несмотря на это обреченного на неутолимую жажду.
Действительно, океан солнечной энергии, омывающий Землю, огромен. Но это рассеянная энергия, и при попытках сконцентрировать ее она как бы уходит сквозь пальцы, если под ними подразумевать улавливающие и преобразующие устройства. Переход солнечной энергии в тепловую с последующим ее преобразованием в механическую и, наконец, механической в электрическую связан с большими потерями на каждой стадии, что обуславливает низкий КПД энергоустановок. Кстати, это чревато и серьезными экологическими проблемами. Ведь энергия, выделяющаяся в виде тепла в процессе перехода из одного ее вида в другой, способствует тепловому заражению атмосферы, что в конце концов может привести к перегреву всей системы Земли и вызвать множество предсказуемых и непредсказуемых негативных последствий.
Каким же образом миновать все эти многочисленные переходы и получить электрическую энергию непосредственно из солнечной? Примером такого устройства является фотоэлемент.
Что он собой представляет? Это тонкая пластинка, к которой припаяны электрические контакты, и когда она освещена, на них появляется разность потенциалов. Если соединить достаточное количество таких пластинок, то можно привести в действие любой электрический прибор. Батарея фотоэлементов с достаточно большой мощностью могла бы обеспечить, как мы уже писали выше, все энергетические потребности человечества. Вот вам и решение проблемы.
Однако до этого еще далеко. Прежде всего, стоимость фотоэлементов пока еще очень велика, поэтому по сравнению с традиционными способами один киловатт электроэнергии, полученный с их помощью, обходится значительно дороже.
Вот почему пока еще мы вынуждены улавливать рассеянную солнечную энергию зелеными листьями растений, выращивая их на огромных площадях. Этот процесс усвоения энергии, протекающий с участием специфического вещества хлорофилла, называется фотосинтезом. Его суть упрощенно заключается в образовании углеводов и может быть выражена следующим уравнением:
CO2 + H2O = CH2O + O2
С помощью изотопного анализа было показано, что в процессе фотосинтеза происходит расщепление молекулы воды на водород и гидроксил. Однако известно, что этот процесс требует значительных затрат энергии. Откуда же она берется? Поглощая кванты солнечного света, молекула хлорофилла переходит в возбужденное состояние и затем «отдает» электрон. В результате образуется активированный водород, который, соединяясь с молекулой углекислого газа, образует молекулу углевода.
Таким образом, упрощенно можно представить процесс фотосинтеза как перенос водорода от молекулы воды к молекуле углекислого газа с образованием углеводов. В определенных условиях и при участии специального фермента — гидрогеназы — из активированного водорода может быть получен молекулярный водород, а не углеводы. Накопленный таким образом водород можно использовать как топливо (по энергоемкости этот химический элемент в пересчете на единицу веса превосходит нефть в 3,3 раза). Если бы такой процесс удалось осуществить с помощью солнечной энергии, то мы бы приобрели практически неограниченные запасы универсального топлива.
По существу, «водородный» путь использования солнечной энергии может быть представлен двумя реакциями:
1) 2H2O солнечная энергия, хлорофилл→ 2H2 + О2;
2) 2H2 + O2 → 2H2O + энергия.
В первой реакции солнечная энергия используется для получения водорода, а во второй энергия, выделяющаяся при его сгорании, может быть реализована в виде топлива с последующим превращением в другие виды энергии. Из приведенных уравнений видно, что такой путь ее получения не нуждается в дополнительном кислороде, так как этот химический элемент, необходимый для сжигания водорода, образуется как побочный продукт получения водорода. Кроме того, водородная энергетика обладает огромным преимуществом с точки зрения экологии, поскольку единственным продуктом сгорания водорода является… вода! Именно полученную в результате такого процесса воду пили американские космонавты во время полета на Луну.
«Но при чем здесь микроорганизмы?» — спросите вы. Дело в том, что в клеточных мембранах бактерий обнаружен пурпурный пигмент, способный так же, как и хлорофилл, улавливать солнечную энергию.
Этот пигмент — бактериохлорофилл — удивительное вещество сродни хлорофиллу. Об этом говорит и его название. Поскольку он является частью микробной биомассы, бактериохлорофилл легко накопить в довольно больших количествах. Процесс его выделения не представляет больших трудностей. Однако даже выделенный в «мягких», как принято говорить, условиях, нативный бактериохлорофилл может осуществлять интересующий нас процесс непродолжительное время. Оторванный от своей «матери-бактерии», он, подобно мифическому Антею в железных объятиях Геракла, довольно быстро теряет силы под действием различных повреждающих факторов. Следовательно, необходимо не только получить и выделить этот важный продукт бактериального биосинтеза, но и как-то стабилизировать, задержать его разложение. Надо сказать, что опыт такого рода работ в микробиологии уже имеется. Есть даже такое понятие, как иммобилизация. И приложимо оно ко многим сторонам микробиологической технологии. Так, есть иммобилизованные ферменты, иммобилизованные субклеточные частицы и даже иммобилизованные микробные клетки.
Попытаемся очень схематично объяснить суть процесса иммобилизации и возникающей при этом стабильности. Выделенная для иммобилизации структура обычно имеет одно или несколько слабых мест, с которых начинается процесс распада, деструкции.
Если эти места каким-то образом защитить, то стабильность, естественно, повысится. В этом суть одного из направлений иммобилизации: прикрыв активные участки структуры каким-нибудь инертным веществом, мы в целом сохраняем ее от губительного воздействия нежелательных деструктивных факторов, будь то какие-то активные химические вещества или в простейшем случае кислород. Естественно, что при этом защита, или экранизация не должна затрагивать функциональные группы стабилизируемой структуры, фермента или даже целой клетки.
Не вдаваясь в детали процесса иммобилизации и особенностей иммобилизованных структур, скажем только, что их стабильность возрастает в десятки раз, а время полужизни, т. е. время, в течение которого биохимическая активность таких структур уменьшается на 50 %, достигает значительных величин, измеряемых месяцами или даже годами.
Такая модифицированная система обладает большой стабильностью и вместе с фотосинтетическим аппаратом может служить источником получения фотоводорода.
Дальнейшее использование водорода практически не отличается от применения традиционных видов топлива и связано с переходом химической энергии в тепловую, тепловой — в механическую и механической — в электрическую. Такой многостадийный путь приводит к довольно низкому КПД высокоэффективного топлива.
Нельзя ли каким-либо образом миновать промежуточные стадии и осуществить прямое превращение химической энергии водорода в электрическую? Собственно говоря, одностадийный переход химической энергии в другие ее виды постоянно осуществляется на наших глазах (и с достаточно высоким КПД!) биохимической «машиной» клетки в результате проведения последовательных скоординированных реакций, протекающих с участием большого числа ферментов.
Попытки осуществить этот процесс в технических устройствах привели к созданию топливных элементов — устройств, в которых осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую. В топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, и поэтому его КПД может достигать 65–70 %.
Топливные элементы отличаются безотходностью, автономностью и компактностью. Кроме того, их преимуществом являются бесшумность и возможность использования различных видов топлива, таких как водород, метан, легкие углеводороды, метанол, этанол и др. С помощью топливных элементов можно создавать установки различной мощности, изменяя число рабочих модулей. Однако они имеют ряд технических несовершенств, что сдерживает их применение несмотря на огромные преимущества перед другими способами получения электрической энергии.
