Применение биотехнологии в энергетике

Биоэнергетика - это область биотехнологии связанная с эффек- тивным использованием энергии, запасенной при фотосинтезе био- массой.

В последние годы, часто говорят об "энергетическом кризисе"-

запасы ископаемого топлива ограничены, а население планеты растет,

и потребление энергии все увеличивается.

Известно, что около 99,4%, доступной нам не ядерной энергии мы получаем от Солнца, и часть ее аккумулируется в биомассе, хотя и

с малой эффективностью. Усредненная максимальная эффективность превращения энергии при фотосинтезе составляет от 5% до 6%. В зо-

нах с умеренным климатом эффективность преобразования энергии

составляет от 0,5% до 1,3%. Растения используют свет с длиной волны от 400 до 700 нм, то есть доля фотосинтетически активной радиации

(ФАР) составляет 50% всего солнечного света.

Основные процессы фотосинтеза протекают в хлоропластах, ко-

торые поглощают СО2, поступающий в растение путем диффузии.

Фотосинтез состоит из двух этапов:

- преобразование энергии фотонов в химическую энергию, кото- рая накапливается в форме АТФ и комплекса водорода связанного с коферментом НАДФ;

• Фотолиз- образование углеводов из СО2 с участием Н2и АТФ

12 Н2О свет 12 [Н2] + 6 О2+ АТФ

• Фотоассимилиция

6 СО2+ 12 [Н2] темнота, АТФ С6Н12О6+ 6 Н2О

Преимущество использования солнечной энергии, заключенной в биомассе, в том, что она запасается в форме органических веществ и поэтому ее можно хранить и перемещать во времени и в пространстве. Биомассу можно сжигать или довольно простыми способами при помощи микроорганизмов превращать в жидкое или газообразное топ- ливо (метан, этиловый спирт или водород). По этой причине биомасса

представляет собой постоянно возобновляемый источник энергии.

Сырье, используемое для производства биотоплива: древесина,

масленичные растения, водоросли.

Ранее основным путем использования растительного сырья в ка- честве топлива во всем мире было прямое сжигание. В настоящее вре- мя - это система термической модификации такого сырья: пиролиз, га- зификация и гидрогенизация.

При всем разнообразии жизненных функций, связанных с потреб-

лением энергии, в их основе лежат три вида трансформации энергии:

• энергия АТФ – энергия химических связей стабильных био-

логических соединений;

• энергия АТФ – механическая работа;

• энергия АТФ – осмотическая работа.

Первый вид использования энергии АТФ составляет основу син- тезов разнообразных химических соединений, в том числе и биопо- лимеров – нуклеиновых кислот, белков и полисахаридов (анаболиче-

ская ветвь метаболизма). Их энергообеспечение достигается сопряже-

нием реакций, протекающих на одном ферменте («энергия из рук в руки»). При этом запасы энергии в одном из участков реакции повы- шаются за счёт распада макроэргических соединений с понижением запасов энергии системы в целом.

Второй вид - использование энергии АТФ для осуществления механической работы. Этот процесс лежит в основе разнообразных форм двигательной активности организмов и клеток: сокращение

мышц у животных, движение листьев и цветков у растений, работы

жгутиков и ресничек у простейших, перемещения ядерного аппарата при делении клеток и т.п. Коэффициент полезного действия трансфор- мации энергии в мышце составляет около 40%. Решающую роль в та- ких механо-химических процессах играют сократительные белки, спо- собные перестраивать свою структуру и взаиморасположение, что на- ходит свое внешнее проявление в макроскопическом эффекте – сокра- щении мышцы.

Третий вид использования энергии АТФ – осмотическая рабо-

та. В ее основе лежит генерация и поддержание концентрационных

перепадов (градиентов) различных веществ, и, прежде всего, ионов на- трия и калия в системах: клетка – окружающая среда или клеточные органоиды – цитоплазма. Перенос веществ, связанный с расходом бо- гатых энергией соединений, получил название активного транспорта. Благодаря активному транспорту в клетках поддерживается необходи- мое постоянство ионного состава и ионная поляризация мембран воз- будимых (нервные, мышечные) клеток – мембранный потенциал, или потенциал покоя. Это является основной предпосылкой для возникно- вения и распространения нервного импульса – потенциала действия.

Наконец, энергия АТФ может с высокой эффективностью трансформироваться в световую энергию. Это имеет место в явле- нии биолюминесценции. Значительно меньшую роль в биоэнергетике играют процессы чисто физического переноса энергии. Наибольшее функциональное значение миграция энергии имеет в процессе фото- синтеза: с ее помощью осуществляется перенос энергии квантов света, поглощенных различными пигментами, к реакционным центрам, с по- мощью которых энергия электронного возбуждения трансформируется

в химическую энергию продуктов фотосинтеза.

Законы биоэнергетики

Первый закон биоэнергетики. Живая клетка избегает прямого использования энергии внешних ресурсов для совершения полезной работы. Она сначала превращает их в одну из трех конвертируемых форм энергии («энергетических валют»), а именно в АТФ, ∆ µН+или

∆µNa+, которые затем расходуются для осуществления различных энергоемких процессов.

Второй закон биоэнергетики. Любая живая клетка всегда рас- полагает как минимум двумя «энергетическими валютами»: водо- растворимой (АТФ) и связанной (∆µН+, либо ∆µNa+).

У морских бактерий имеются, по меньшей мере, АТФ и ∆µNa+, но очень часто также и ∆µН+. У пресноводных бактерий, «валютой» слу-

жат АТФ ∆µН+. Что касается ∆µNa+, то она, как правило, отсутствует из-за низкой концентрации Na+в среде обитания.

Третий закон биоэнергетики. «Энергетические валюты» клетки могут превращаться одна в другую. Поэтому получения хотя бы одной

из них за счет внешних ресурсов достаточно для поддержания жизне-

деятельности.

Так, анаэробные бактерии могут за счет гликолиза производить

АТФ, который затем используется в процессах энергообеспечения ли-

бо непосредственно, либо после превращения в ∆µН+или ∆µNa+. Же- лезобактерии способны окислять кислородом ион Fe2+в ион Fe3+, обра- зуя ∆µН+. Эта единственная реакция дыхания питает все потребляю- щие энергию процессы, в том числе синтез АТФ из АДФ и Н3РО4. Описаны бактерии, использующие только свет в качестве энер- гетических ресурсов. Но, пожалуй, наиболее удивительна энергетика бактерии Propionigenium modestum, обнаруженной недавно в иле мор- ского пролива неподалеку от Венеции. У этой бактерии нет ни фото- синтеза, ни дыхания, ни гликолиза. Вся необходимая энергия чер- пается из единственной реакции декарбоксилирования янтарной кисло- ты в пропионовую. Этот процесс сопряжен с генерацией ∆µNa+, кото- рая утилизируется для совершения осмотической работы, либо превра- щается в АТФ посредством Na+-АТФ-синтазы. Propionigenium mod- estum живет в анаэробных условиях вместе с другими бактериями, об- разующими янтарную кислоту- конечный продукт брожения.