CC BY
45
УДК 66.098:546.11
DOI: 10.15587/2313-8416.2015.52116
АНАЛ1З ПРОДУКТИВНОСТ1 Б1ОТЕХНОЛОГ1ЧНОГО ОТРИМАННЯ ВОДНЮ ЗА ВИКОРИСТАННЯ М1КРООРГАН1ЗМ1В З Р1ЗНИМИ ТИПАМИ МЕТАБОЛ1ЗМУ, ПЕРСПЕКТИВН1 НАПРЯМКИ ПОДАЛЬШИХ ДОСЛ1ДЖЕНЬ
© Л. С. Зубченко, G. В. Кузьмiнський
У cmammi проанал1зовано основт бiотехнологiчнi методи отримання водню, а саме: бюфотольз води з використанням водоростей або цiанобактерiй, темнове бродiння, а також отримання водню у мкроб-них паливних елементах. Розглянуто бiохiмiчнi особливостi виробництва водню мкроорган1змами з рiз-ними типами метабол1зму. Визначено недолiки кожного з методiв та перспективш напрямки подальших дослiджень
Ключовi слова: бюводень, темнове бродiння, пурпурнi бактерИ] гiдрогенази, мкробний паливний еле-мент, екзоелектрогени
The basic biotechnological methods of hydrogen production, namely biological water splitting, using algae or cyanobacteria, dark fermentation and bioelectrochemical systems are analyzed in the article. Biochemical features of hydrogen production by microorganisms with different types of metabolism are reviewed. Disadvantages of each method and the prospects for future research are determined
Keywords: biohydrogen, dark fermentation, purple bacteria, hydrogenases, microbial fuel cell, exoelectrogens
1. Вступ
Водень, з точки зору зменшення емки парниковых газiв в атмосферу, е щеальним паливом, оскь льки единим продуктом його згорання е вода. Бшь-шють методiв виробництва водню, яш зараз викорис-товують е досить дорогими та енергозатратними.
Утворення водню в метаболiчних процесах, що протжають в живих оргашзмах - це загальновь домий та давно встановлений факт. До методiв, яш використовують особливосп метаболiчних процеав, для бютехнолопчного отриманш водню вщносяться бiофотолiз води з використанням водоростей або ща-нобактерш, темнове бродшня, а також отримання водню у мшробних паливних елементах. Водень може бути отриманий з використанням ввдновлювальних джерел енерги включаючи твердi та ради вщходи, а також рiзноманiтнi стiчнi води багап органiчними речовинами.
2. Постановка проблеми та лггературний
огляд
Дослвдженням та розробкою ефективних ме-тодiв виробництва водню за використання бюмаси займаються багато провщних вчених Укра!ни i свиу. Серед них варто видiлити Д. Р. Лавл^ Б. Е. Логан, С. Марков та ш. [1, 2]. В Укрш'ш активнi дослщження проводиться з продукування бiоводню шляхом анае-робно! ферментацп та фотоферментацп (О. Б. Таши-рев, Н. Б. Голуб, О. К. Золотарьова та ш.) [3, 4].
Незважаючи на велику к1льк1сть дослiджень, що проводяться, та значну к1льк1сть нових розробок у цш галузi, бютехнологп, технологи отримання водню потребують подальшого удосконалення. Для шдви-щення продуктивносп бiосистем, що виробляють водень та зб№шення ефективностi самого процесу варто враховувати, що не лише технолопчна складова е важливою, а i власне - бюлопчна, тобто особливостi протiкання метаболiчних процеав, в залежностi ввд
видового складу продуценлв, що використовують, методи ix видiлення [4] тощо.
Метою огляду е аналiз iснуючиx методiв бютехнолопчного отримання водню та визначення «ву-зьких мiсць», що можливо стримують широкомасш-табне впровадження бютехнологш отримання водню.
Аналiз теоретичного шдгрунтя та бiоxiмiчниx основ процесiв, що лежать в основi утворення водню оргашзмами рiзниx видiв, необх1дний для визначення напрямшв подальших дослвджень та тдвищення ефективностi бiотеxнологiчниx процесiв виробництва водню.
3. Огляд сучасних дослщжень бютехнолоп-чних метод1в виробництва водню та анал1з проду-ктивност1 вид1лення водню мжрооргашзмами з р1зними типами метабол1зму
3. 1. Отримання водню шляхом анаеробноТ ферментацп (темнового брод1ння)
Генерування водню в процесi анаеробно! ферментацй здшснюеться в основному строгими або фа-культативними анаеробними бактерiями в анаероб-ниx умоваx [5]. Основними субстратом для отримання водню слугують рiзноманiтнi органiчнi сполуки -так! як вуглеводи, цукри, бiлки i жири, комплекснi оргашчш субстрати, наприклад, спчш води, багап оргашчними речовинами: спчш води xарчовоl про-мисловосп, спчш води комунальниx пiдприемств, вiдxоди, як1 мютять целюлозу та лиганцелюлозу, CTi-чш води тваринниx ферм, цукровмюш спчш води, а також спчш води, яш мютять залишки олш та глще-ролу [6].
Основним етапом у всix процесаx метабол!зму глюкози е перетворення глюкози до трувату (1). При цьому теоретично може утворитися 2 мол! водню при генеруванш НАДН. У бшьшосп бактерш метабол!зм глюкози до трувату ввдбуваеться по шлжу Ембдена-Мейергофа-Парнаса:
С6Н1206+2НАД+^2СНзС0С00+4Н++2 НАДН. (1)
Ключовим субстратом для отримання водню з оргашчних речовин е Ацетил-КоА, який утворюеться з пiрувату. К1льк1сть Ацетил-КоА е фактором, який визначае квдьшсть водню (2 молi чи 4 мол1), що утво-риться на моль спожитого цукру. В залежностi ввд ферментно! системи мiкроорганiзмiв Ацетил-КоА може утворюватися у наступних реакщях:
2СНзС0С00"+КоАБН+раох^ ~СНзСО--8КоА+ +С02+Рагей; (2)
2СНзС0С00+КоА8Н^СНзС0-8КоА+НС00-. (3)
Реакцш (2) каталiзуе фермент труват фередо-ксин оксидоредуктаза, коензим якого - фередоксин виступае в якосл акцептора електрошв. Ацетил-КоА, швидко метаболiзуеться до ацетату чи бутира-ту, в обох випадках при реоксидизацп з одного моля фередоксину утворюеться 1 моль водню. Частина електрошв у цьому шляху метаболiзму переноситься на НАД+, при цьому генеруеться НАДН, який попм використовуеться для продукування водню за допо-могою шшого метаболiчного шляху [6].
Якщо к1нцевим продуктом виступае ацетат то при глiколiзi утворюеться 1 додатковий моль водню при ввдновленш кожного моля НАДН. В такому разi загальний вих1д водню становить 4 молi водню на моль спожито! глюкози i загальну реакцш можна за-писати як:
СбН120б+4Н20^2СНзС00+2НС0з+4Н++4Н2. (4)
Коли кшцевим продуктом ферментацп е бутират:
C6H12O6+2H2O^CH3CH2CH2COO + +2HCO3+3 H++2H2
(5)
загальний вихвд водню становить 2 моль на 1 моль глюкози, осшльки, утвореш молекули НАДН витра-чаються на окиснення Ацетил-КоА до бутирату. Та-кий шлях метабол1зму притаманний мжрооргашзмам родини Clostridiaceae, а саме Clostridium pasteu-rianum i C. butyricum.
Другий шлях, описаний рiвнянням (3) призво-дить до одночасного утворення Ацетил-КоА i формь ату, i каталiзуeться ферментом пiруват-формiат лiа-зою. Цей шлях метаболiзму типовий для ентеробак-терiй таких як Enterobacter aerogenes i Escherichia coli, а також деяких представнишв родини Clostridiaceae [7]. Формiат, утворений в цш реакцп може далi метаболiзуватися з утворенням вуглекислого газу i водню:
2HCOOH^2CO2+H2
(6)
Таким чином сумарний вихвд водню для цього шляху становить 4 моль водню на моль спожито! глюкози.
При ферментацп глюкози можливе утворення шших супутшх продуктiв. Так, окрiм ацетату, бутирату i формiату можуть утворюватися пропiонат, ла-ктат, 2,3-бутаендюл, етанол i iзопропанол. Утворення таких продукпв небажане при ферментацп, осшльки це знижуе вихiд водню.
Проте, на практищ, вихвд водню зазвичай зна-чно нижчий нгж теоретично можливий. В бiльшостi дослвджень вихвд водню не перевищуе 1 моль на моль спожитого субстрату.
М^ооргатзми, як використовують для ана-еробно1 ферментацп. Ферментативне утворення водню здшснюе широке коло мiкроорганiзмiв. Ключову роль у регуляци метаболiчних шлях1в мшрооргашз-мiв вщграють параметри зовнiшнього середовища. Продукування водню можуть здшснювати змiшанi культури, отримаш з природних середовищ, таких як грунт, активний мул, компост, чи чисп спецiально селекцiонованi культури [7].
Серед воденьпродукуючих мiкроорганiзмiв видвдяють строгi анаероби: Clostridium а саме: C. Butyricum, C. acetobutyricum i C. beijerinckii, C. Thermo-lacticum, C. tyrobutyricm, C. thermocellum i C. Parapu-trificum [8], C. saccharoperbutylacetonicum, Clostridi-um tyrobutyricum, C. thermocellum, Clostridium para-putrificum [6], метилотрофи, метаногенш бактерп, ар-хе!, факультативш анаероби: E. coli, Enterobacter (E. aerogenes i E. cloacae), Citrobacter, Klebsiella i на-виъ аероби (Alcaligenes, Bacillus).
Крiм того, встановлено здатнiсть продукувати водень у термофiльних: Caldicellulosiruptor saccha-rolyticus, Thermoanaerobacterium sp., зокрема T. Thrmo-saccharolyticum [7, 9] i Thermotoga sp., зокрема T. Maritima, T. elfii i Thermotoga neapolitana [6] та гшертер-мофвдьних Caldoanaerobacter subterraneus [7].
Отримання водню шляхом використання тем-ново! ферментацп мае певш проблеми, як1 гальмують широке впровадження цього методу. Основною проблемою е зменшення виходу водню через накопи-чення в культуральному середовищi продукпв мета-болiзму, зокрема оцтово! кислоти та бутилово! кис-лоти [10-12], метану, а також, iнодi етанолу, лактату, формiату та протоново! кислоти, яш не можуть бути використаними мжрооргашзмами, як поживний субстрат, тому вихвд водню зменшуеться зi збiльшенням кiлькостi цих продуктiв. Крiм того, необх1дна пода-льша утилiзацiя цих побiчних продуктiв, для уник-нення !х потрапляння у довшлля. Максимальний тео-ретичний вихiд водню для анаеробно! ферментацп' становить 4 моль на моль спожито! глюкози. На практицi вихвд водню зазвичай нижчий ввд теоретичного, через те що певна шльшсть утвореного водню може споживатися мжрооргашзмами в процесi мета-ногенезу, ще до того, як його вилучили з реактора. Тому, для отримання водню в таких системах необ-хвдно вилучати метаногенiв з мжробно! популяцп [6].
3. 2. Отримання водню за використання зе-лених водоростей i щанобактерш
Фотосинтез е ще одним шляхом метаболiзму, при якому може видiлятися молекулярний водень.
Ц оргашзми за способом живлення е фотоге-теротрофами, джерелом енерги для цього процесу слугуе сонячне випромшювання, а донором електро-шв - вода. Джерелом карбону для м1крооргашзм1в, як1 генерують водень фотосинтетичним шляхом е ор-гашчш кислоти, зокрема: оцтова, бутилова, малонова, водночас таю субстрати як глюкоза чи сахароза ними майже не споживаються [12].
В загальному виглвд процес утворення водню при фотосинтез! можна описати наступним р1внянням:
2H2O+hv^2H2+O2. (7)
Утворення водню у зелених водоростей ката-л1зуеться пдрогеназою зпдно р1вняння:
2Н++2е_=Н2. (8)
Однак, гвдрогеназа е дуже чутливою до наяв-носл кисню в середовищг Окр1м того, що цей фермент шактивуеться в аеробних умовах [13], при ная-вносп кисню не ввдбуваеться експреая гену, що в1д-поввдае за и синтез. Тому, для отримання водню при використанш зелених водоростей необхвдно створити безкиснев1 умови, а оск1льки кисень також утворю-еться при фотосинтез1 постае проблема його постш-ного видалення для шдтримання цих умов.
Одним з таких метод1в е культивування водоростей за умов дефщиту арки. В таких умовах водень ввдбуваеться реакщя при якш вщновлений фе-редоксин вщновлюе водень зашсть НАДФ+ [14]:
2^H++2^FdRed^H2+2^Fdox. (9)
У щанобактерш водень утворюеться в процес непрямого фотосинтезу в дв1 стади:
12H2O+6CO2+hv^CgH12O6+6O2, (10) C6H12O6+12H2O+hv^12H2+6CO2. (11)
При такому вид1 метабол1зму кисень i водень утворюються на рiзних стадiях i тому можна уникну-ти iнгiбуючого впливу кисню на пдрогеназу.
На першому етапi вщбуваеться фiксацiя СО2, в присутностi ферменту RuBisCO, з наступним синтезом глюкози i кисню. На II еташ фотосинтезу, в при-сутносп гiдрогенази i нiтрогенази, вiдбуваеться роз-кладання глюкози i утворення водню [15]. Нггрогена-зи цiанобактерiй також чутливi до присутностi кисню в середовищi i при наявностi кисню шактивуються. Проте, експерименти [15] з Anabaena variabilis i Anabaena azotica показали значне збшьшення загаль-ного виходу водню в тих системах, при додаванш водню тд час культивуваннi. Таке збiльшення виходу водню пояснюють тим, що при наявносп водню в культуральному середовищ^ оборотна гiдрогеназа каталiзуе реакщю, в якш беруть участь водень i ки-сень, вилучаючи при цьому кисень з середовища. При вилученш кисню, вихвд водню збiльшуеться за рахунок зменшення iнгiбуючого впливу на функцю-нування нiтрогеази.
Мшрооргатзми, яК мають здаттсть до фотосинтетичного утворення водню. Серед фотосин-тезуючих оргашзм!в, в якосп продуцентiв водню ро-зглядають мiкроскопiчнi зеленi водоростi i щанобак-Tepii' [15].
Водоростi, яш здатш видiляти водень вщно-сяться до р!зних систематичних груп. Зокрема, це ряд зелених водоростей (вщдш Chlorophycophyta) i3 числа хроококових (порядок Chlorococcales), що вщнос-тяться до родш: Chlorella, Scenedesmus, Ankistrodesmus, Kirchnella, Rhaphidium, Coelastdesmus, Codium, Selenastrum sp., а також Chlamydomonas i Dunalliella. Серед червоних водоростей здаттсть утворювати водень мають роди Chondrus, Corallina, Geramium, Porphyridium (вщдш Rhodophycophyta), серед датомових - вщдш Bacillariophycophyta-Diatomeae, а саме: Niztshia ova-lis [14, 15].
Основним фактором, який л!мггуе процес видь лення водню фотосинтетичним шляхом - це мала швидшсть росту мшрооргашзм!в, оскшьки швидк1сть видшення водню напряму залежить в!д швидкост росту м!крооргашзм!в. Значний вплив на процес фотосинтетичного видшення водню чинить штенсивтсть освь тлення. Тому при використанш рщин, як1 мають висо-ку мутшсть чи забарвлешсть к1льк1сть штенсивтсть випром!нювання, яке отримують клтгини значно зме-ншуеться, що призводить до спов!льнення фотосинте-тичних процеав i зниження виходу водню [12].
3. 3. Отримання водню за використання пу-рпурних бактерiй
Водень у пурпурних бактерш утворюеться у реакщях, як1 перебжають за учасп пдрогеназ, як у зелених водоростей або тгрогеназ [2].
В залежносп в!д виду нггрогенази, водень у пурпурних бактерш та щанобактерш може утворю-ватися ввдповадно до трьох реакцш:
а) Мо-нирогеназа:
N2+8H++8e-=2NH3+H2; (12)
б) V-тгрогеназа:
N2+12H++12e-=2NH3+3H2; (13)
в) Fe-тгрогеназа:
N2+21H++21 e-=2NH3+7.5H2. (14)
Водень утворюеться штрогеназою в необорот-нш реакци, в якш 4 молекули АТФ витрачаються на продукування одше! молекули водню.
Генерування водню у пурпурних бактерш вад-буваеться при наявносп оргашчних кислот, напри-клад, оцтово!, малоново! чи глюкози, а також шших оргашчних речовин.
Максимальний теоретичний вихвд водню при споживанш цих речовин, вадповадно до р!внянь (13)-(16) становить [15]:
- оцтова кислота:
C2H4O2+2H2O^2CO2+4H2; (15)
- молочна кислота:
C3H6O3+3H2O^3CO2+6H2; (16)
- малонова кислота:
C4H6Os+3H2O^4CO2+6H2; (17)
- глюкоза:
C6H12O6+6H2O CO2+I2H2. (18)
Також, цi бакгерй' мають здатнiсть змiнювати свiй мегабол1зм на фотоавтогрофний i використову-ваги як джерело вуглецю CO2.
При створенш в клiтинi високого сшвввдно-шення НАДН/(НАД+ +НАДН) гвдрогеназа, яка каталь зуе розчеплення водню вiдповiдно до реакци (19) може працювати в зворотному напрямку, що призво-дить до утворення водню [13]:
H2~2H++2e-. (19)
При ввдсутносп свiтла у пурпурних бактерiй водень може утворюватися у реакщях розкладання формiату до вуглекислого газу, як1 каталiзуе формiат-гiдроген лiазний комплекс. Ця реакщя супроводжу-еться ввдновленням НАД+:
2HCOOH^2CO2+H2. (20)
Для пурпурних несульфурних бактерш також характерне утворення водню при проходженш шифт-реакцй' [13]:
CO+H2O=CO2+H2. (21)
В данiй реакцп водень утворюеться з води. Ця реакщя ввдбуваеться завдяки функцiонуваннi двох ферменпв: гiдрогенеази i специфiчно! СО-пдрогенази [1] i не потребуе присутносп свiтла.
Серед пурпурних несiрчаних бактерш, яш мають здатнiсть продукувати водень найбiльш досль дженими е Rubrivivax gelatinosus [16] i Rhodospirillum rubrum, Rhodopseudomonas palustris, Rhodobacter sphaeroides [17].
Вихвд водню в процеа фотоферментацп за учасп пурпурних бактерш залежить ввд багатьох фа-кторiв, серед них значно знижують вихвд водню мала тенсившсть свiтла, надмiрна або замала концентра-цiя субстрату, присутшсть iонiв амонiю чи контамь нацiя середовища [15]. Максимальний теоретичний вих1д водню може досягати 12 моль на моль спожито! глюкози. Ввдсутшсть фотосистеми II у пурпурних несульфурних бактерш дозволяе уникнути проблеми iнгiбування киснем процесу генерування водню.
3. 4. Отримання водню в фотокаталггичних системах
Окрiм, генерування водню, в процеа фотосинтезу живими клтганами, дослiджуеться також мож-ливiсть отримання його при використанш окремих
органел клiтин - хлоропласпв i хромопластiв або !х-шх синтетичнi аналоги [18].
Основним завданням залишаеться створення таких умов, при яких у ФС I переважав процес ввдно-влення не НАДФ+, а води. Ввдомо, що шнцевим акцептором електронiв в ФС II е залiзо-сiрчаний бвдок ферредоксин (Фд), вiдновлена форма якого в присут-ностi спецiальних каталiзаторiв здатна видiляти водень при розкладанш води [18, 19].
Розроблеш модельнi бiохiмiчнi системи бюфо-толiзу води, на основi видiлених з рослинних клггин хромопластiв [18, 20], яш мають два спiльних елеме-нти: електрон-транспортний ланцюг (ЕТЛ) фотосинтезу i каталiзатор для утворення водню, в якосп якого можуть бути використаш як бюлопчш ^зномаш-тнi гiдрогенази), так i неорганiчнi (коло!дна платина, Яи02) кататзатори. В той же час, в якосп ввдновника води може виступати як безпосередньо ферредоксин, так i спещально введений в систему пром1жний перено-сник електронiв М, який може виступати акцептором електронiв з ЕТЛ хлоропласпв i ввдновлювати воду.
Недолшами таких систем е мала енергетична ефективнiсть перетворення сонячно! енергi! в хiмiч-ну, яка для таких модельних систем не перевищуе 0,2 %, в той час як теоретичне значення складае бли-зько 17 %. Другою суттевою проблемою е недостатня стаб№шсть таких систем у часi (до 30 дшв) [18].
3. 5. Отримання водню з використанням бь оелектрохiмiчно-активних мiкроорганiзмiв (мш-роорганiзмiв-екзоелектрогенiв)
Бiоелектрохiмiчнi системи, так1, як мiкробнi паливш елементи (МПЕ) - це системи, яш викорис-товують здатнiсть мiкроорганiзмiв-екзоелектрогенiв переносити електрони, видiленi пiд час дихання на-зовнi клiтини для отримання електрично! енергi! чи водню. Екзоелектрогенам властивий специфiчний тип метаболiзмiу - анаеробне дихання, ввдповвдно до якого вони використовують зовшшньоклгтинний акцептор електрошв (природних умовах оксиди залiза або мангану). Через ланцюг переносу електрошв електрони переходять до цитохромiв зовнiшньо! мем-брани клiтини. Електрони, покидають ланцюг переносу електрошв у формi водню, який може розклада-тися до протошв i двох електронiв. Ввд зовшшньо! мембрани електрони переносяться на електрод (анод), з якого - у зовшшне електричне коло.
Осшльки, загальна реакцiя перетворення субстрату у водень у бiоелектрохiмiчнiй системi (22) е ен-дотермiчною, то для отримання водню прикладають додаткову напругу (зазвичай в межах 0,4-0,7 В) [21].
СНзС00+4Н20^2НТОз+Н++4Н+. (22)
Протони на катодi рекомбiнують з електрона-ми вiдповiдно до реакцi!:
2Н++2е-=Н2. (2з)
Через рiзницю потенцiалiв на катодi i анодi формуеться електричний струм i напруга. Для утворення водню на катодi необхвдний електрохiмiчний
потенщал становить -0,41 В. Ввдповвдно до останнiх дослiджень [22] анодний потенщал МПЕ при розь мкненому колi становить -0,300 В. Тому, прикладан-ня зовшшньо! напруги до катода, б№шо! нiж 0,11 В, дозволяе подолати термодинашчний бар'ер.
Субстратами, яю мiкроорганiзми використо-вують для свого метаболiзму можуть бути етанол, глюкоза, молочна кислота, формiат, амшокислоти, а також комплекснi субстрати, наприклад стiчнi води, сироватка, тобто, практично будь-яка оргашчна ре-човина.
Так, при використанш глюкози в якостi субстрату, реакщя метаболiзму мае вигляд:
1. Анодна реакщя:
С6Н12О6+6Н2О^6СО2+24-Н++24е-. (24)
2. Катодна реакщя:
24e+24H+^12H2. (25)
При споживанш сахарози:
1. Анодна реакщя:
C12H22O„+13H2O^12CO2+48H++48e-. (26)
2. Катодна реакщя: 48e+48H+^24H2.
Екзоелектронгени, крiм того, здатт споживати
оцтову кислоту рiвняння (27), яка е кiнцевим продуктом багатьох анаеробних метаболiчних шляхов [22]:
1. Анодна реакщя:
CH3COOH+2H2O^2CO2+8H++8e-. (27)
2. Катодна реакщя:
8H++8e-^4H2.
(28)
Сульфатредукуючi бактерй' (Desulfovibrio desulfuricans), яю використовують сульфат, як юнце-вий акцептор електронiв при диханш в якостi субстрату можуть використовувати лактат [23]:
CH3CH(0H)C00+SO42-+ 2O+ +CH3C
8-H+^-S2-+4-H2O+ +CH3COCOO-; (29)
S2-+4 ^H2O^SO42-+8 ^Н++8е- (до анода); (30)
2S2-+3 -H20^S2O32-+6 ^Н++8е- (до анода). (31)
Мкрооргангзми, що мають здаттсть до ек-зоелектрогензу. Здатшсть до екзоелктрогенезу мають мiкроорганiзми рiзних еволюцiйних груп, як1 належать наступних родин: Geobacteraceae, Desulfuro-monaceae, Alteromonadaceae, Entero-bacteriaceae, Pa-steurellaceae, Clostridiaceae, Aeromo-nadaceae, i Co-mamonadaceae [13, 24], Gammaproteo-bacteriaceae, Betaproteobacteriaceae? Rhizobiaceae i термофшьш Thermincola carboxydophila, Deferribacter ferribacter, Coprothermobacter sp. [25].
Використання МПЕ, дозволяе отримати найбь льший теоретичний вихвд водню (12 моль на моль
спожито! глюкози), осюльки метаболiзм екзоелектро-генiв ввдбуваеться до найменш енергоемних к1нцевих продуктiв. Ще однiею перевагою е здатнiсть екзоеле-ктрогенiв споживати i перетворювати продукта, яю для iнших мiкроорганiзмiв е юнцевими продуктами метаболiзму. Серед недолтв бiоелектрохiмiчних систем для отримання водню найзначимiшим е висока варпсть матерiалу катода.
4. Результати дослвдження
Враховуючи вищеописанi метаболiчнi особли-восп мiкроорганiзмiв, що використовують для отримання водню, та проблеми, з якими стикаються при створеннi реальних технологiй на !х основi варто за-значити наступне. Бiльшiсть мiкроорганiзмiв - про-дуцентiв водню, мають вибiркову здатнiсть споживати оргашчш речовини того чи iншого класу, що ро-бить загальний вихщ водню у бiологiчних процесах невисоким.
Шляхом шдвищення ступеня конверсп речо-вин е розробка двостадшних методiв, першим етапом яких е темнова фермента^я, а другим фотосинтетич-не отримання водню [7, 12], метаногенез або екзое-лектрогенез. Використання тако! системи дозволяе значно збшьшити вих1д водню за рахунок п1двищен-ня ефективносп використання субстрату i зменшення юлькосп побiчних продуктiв темново! ферментацi!, яю використовуються на другiй стадil [12]. Також важливим е пiдбiр субстрату та розробка методiв йо-го попередньо! обробки, для п1двищення ефективносп споживання субстрату [12, 13].
Одним з напрямюв пiдвищення продуктивнос-тi бiотехнологiчних методiв отримання водню е ство-рення культур, яю дають бiльший вихiд водню, шляхом селекцп мiкробноl асоцiацi! [9, 12, 18] або, на-виъ, генетично! модифiкацi! мiкроорганiзмiв.
Втiлення в життя 1де1 отримання водню без використання щлих клiтин, може дати можливють збiльшити енергетичний вихiд, осюльки енергiя не витрачатиметься на рют i життедiяльнiсть самих клi-тин, а також зменшиться залежнiсть системи ввд зов-нiшнiх факторiв, що могли б вплинути на життедiя-льнiсть мiкроорганiзмiв.
5. Висновки
Бютехнолопчне отримання водню наразi мае ряд складнощiв, для вирiшення яких необхвдне по-еднання знань в рiзних галузей науки та тех -шки: мiкробiологi!, бiохiмi!, електрохiмi!, шжене -рi! тощо.
Здатнiсть воденьпродукуючих мiкроорганiз-мiв споживати рiзноманiтнi оргашчш субстрати дае змогу використовувати в якосп сировини для виробництва водню ввдходи, багап органiчними речовинами, наприклад спчш води пiдприемств харчово! промисловосп, що мiнiмiзуе витрати на сировину та сприяе вирiшенню проблеми знешко-дження вiдходiв. Використання технологiй, що по-еднують в собi бюлопчш та електрохiмiчнi проце-си, дозволяе шдвищити продуктивнiсть процесу та реалiзувати екологiчно-безпечне та енергоефекти-вне використання сировини.
Л^ература
1. Lovley, D. R. Bug juice: harvesting electricity with microorganisms [Text] / D. R. Lovley // Nature Reviews Microbiology. - 2006. - Vol. 4, Issue 7. - Р. 497-508.
doi: 10.103 8/nrmicro 1442
2. Markov, S. Bioreactors for H2 production by purple nonsulfur bacteria [Text] / S. Markov, P.F. Weaver // Applied Biochemistry and Biotechnology. - 2007. - Vol. 145, Issue 1-3. -P. 79-86. doi: 10.1007/s12010-007-8032-z
3. Голуб, Н. Б. Анаеробне очищення спчних вод пивзаводш з одночасним одержанням водню [TeKcr] / Н. Б. Голуб, К. О. Щурська, М. В. Троценко // Xîmîm i технологи води. - 2014. - № 2. - С. 163-176.
4. Притула, I. Р. Усовершенствование метода выделения водородобразующих бактерий рода Clostridium [TeK^] / I. Р Притула., О. Б. Таширев // Мжробюлопчний журнал. - 2012. - T. 74, № 6. - С. 58-64.
5. Щурська, К. О. Способи продукування бюводню [Текст] / К. О. Щурська, £. В. Кузьмшський // Науюж вгст НТУУ «КШ». - 2011. - № 3. - С. 105-114.
6. Chong, M.-L. Biohidrogen production from biomass and industrial waste by dark fermentation [Text] / M.-L. Chong, V. Sabaratnam, Y. Shirai, M. A. Hassan // International Journal of Hydrogen Energy. - 2009. - Vol. 34, Issue 8. - Р. 32773287. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.02.010
7. Ntaikou, I. Biohydrogen production from biomass and wastes via dark fermentation [Text] / I. Ntaikou, G. Anto-nopoulou, G. Lyuberatos // Waste and Biomass Valorization. - 2010. - Vol. 1, Issue 1. - P. 21-39. doi: 10.1007/s12649-009-9001-2
8. Venkata, M. S. Harnessing of biohydrogen from wastewater treatment using mixed fermentative consortia: process evaluation towards optimization [Text] / M. S. Venkata // International Journal of Hydrogen Energy. - 2009. - Vol. 34, Issue 17. - Р. 7460-7474. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.05.062
9. Saripan, A. F. Biohydrogen production by Ther-moanaerobacterium thermosaccharolyticum KKU-ED1: Culture conditions optimization using mixed xylose/arabinose as substrate [Text] / A. F. Saripan, A. Reungsang // Electronic Journal of Biotechnology. - 2013. - Vol. 16, Issue 1. doi: 10.2225/ vol16-issue1-fulltext-1
10. Chena, C.-Y. Biohydrogen production using sequential two-stage dark and photo fermentation processes [Text] / C.-Y. Chen, M.-H. Yang, K.-L. Yeh, C.-H. Liu, J.-S. Chang // Changa International Journal of Hydrogen Energy - 2008. - Vol. 33, Issue 18. - P. 4755-4762. doi: 10.1016/ j.ijhydene.2008.06.055
11. De Amorim, E. L. C. Effect of substrate concentration on dark fermentation hydrogen production using an anaerobic fluidized bed reactor [Text] / E. L. C. de Amorim, L. T. Sader, E. L. Silva // Applied Biochemistry and Biotechnology. - 2012. - Vol. 166, Issue 5. - P. 1248-1263. doi: 10.1007/ s12010-011-9511-9
12. Hay, J. X. W. Biohydrogen production through photofermentation or dark fermentation using waste as a substrate: Overview, economics, and future prospects of hydrogen usage [Text] / J. X. W. Hay, T. Y. Wu, J. C. Juan, J. Md. Jahim // Biofuels, Bioproducts and Biorefining. - 2013. - Vol. 7, Issue 3. -P. 334-352. doi: 10.1002/bbb.1403
13. Seifert, K. Microbiological methods of hydrogen generation, biogas [Text] / K. Seifert, M. Thiel, E. Wicher, M. Wlodarczak, M. Laniecki. - Faculty of Chemistry, A. Mic-kiewicz University, Poznan, Poland, 2012. - P. 225-250.
doi: 10.5772/33563
14. Oh, Y.-K. Biohydrogen production from carbon monoxide and water by Rhodopseudomonas palustris P4 [Text] / Y.-K. Oh, Y.-J. Kim, J.-Y. Park, T. H. Lee, M.-S. Kim, S. Park // Biotechnology and Bioprocess Engineering. - 2005. -Vol. 10, Issue 3. - Р. 270-274. doi: 10.1007/bf02932024
15. Bothe, H. Maximizing hydrogen production by cya-nobacteria [Text] / H. Bothe, S. Winkelmann, G. Boison // Zeitschrift für Naturforschung C. - 2008. - Vol. 63, Issue 3-4. -P. 226-232. doi: 10.1515/znc-2008-3-412
16. Натуральное электричество: фотосинтез - дело будущего [Электронный ресурс]. - Популярная механика,
2006. - Режим доступа: http://www.popmech.ru/article/670-naturalnoe-elektrichestvo/
17. Chongcharoenthaweesuk, P. Metabolic flux balance analysis for biological hydrogen production by purple non-sulfur bacteria [Text]: Int. conf. on food eng. and biotech. / P. Chongcharoenthaweesuk, Z. Jiangdong, F. Mavituna. -IACSIT Press, Singapoore, 2011. - Vol. 9.
18. Балашев, К. П. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии [Текст] / К. П. Балашев // Сорос-совский образовательный журнал. - 1998. - № 8. - С. 5864. - Режим доступа: http://window.edu.ru/resource/ 259/ 21259/files/9808_058.pdf
19. Рубин, А. Б. Регуляция первичных процессов фотосинтеза [Текст] / А. Б. Рубин, Т. Е. Кренделева // Успехи биологической химии. - 2003. - Т. 43. - С. 225-265. -Режим доступа: http://www.inbi.ras.ru/ubkh/43/rubin.pdf
20. Никандров, В. В. Неорганические полупроводники в биологических и биохимических системах: биосинтез, свойства и фотохимическая активность [Текст] / В. В. Никандров // Успехи биологичсюж химии. -2000. -Т. 40. - C. 357-396. - Режим доступа: http://www.inbi.ras.ru/ ubkh/40/nikandrov.pdf
21. Logan, B. E. Simultaneous wastewater treatment and biological electricity generation [Text] / B. E. Logan // Water Science & Technology. - 2005. - Vol. 52, Issue 1-2. -Р. 31-37.
22. Ahn, Y. Effectiveness of domestic wastewater treatment using microbial fuel cells at ambient and mesophilic temperatures [Text] / Y. Ahn, B. E. Logan // Bioresource Technology. - 2010. - Vol. 101, Issue 2. - Р. 469-475. doi: 10.1016/ j.biortech.2009.07.039
23. Dalvi, A. D. Microbial fuel cell for production of bioelectricity from whey and biological waste treatment [Text] / A. D. Dalvi, N. Mohandas, O. A. Shinde, P. T. Kininge // International journal of advanced biotechnology and research. -2011. - Vol. 2, Issue 2. - Р. 263-268.
24. Mathura, A. K. Microbial fuel cells: A promising technology for waste water treatment and power generation [Text] / A. K. Mathura, D. Singh // Environ. Sci. Technol. -
2007. - Vol. 35. - Р. 3057-3063.
25. Zielke, E. A. Design of a single chamber microbial fuel cell [Text] / E. A. Zielke // Microbial Fuel Cell technology. -2005. - 35 p. - Available at: http://www.engr.psu.edu/ce/en-ve/logan/bio energy/pdf/engr_499_final_zielke.pdf
References
1. Lovley, D. R. (2006). Bug juice: harvesting electricity with microorganisms. Nature Reviews Microbiology, 4 (7), 497-508. doi: 10.1038/nrmicro1442
2. Markov, S. A., Weaver, P. F. (2007). Bioreactors for H2 Production by Purple Nonsulfur Bacteria. Applied Biochemistry and Biotechnology, 145 (1-3), 79-86.
doi: 10.1007/s12010-007-8032-z
3. Holub, N., Shchurska, K., Trotzenko, M. (2014). An-aerobne ochyshchennia stichnykh vod pyvzavodiv z od-nochasnym oderzhanniam vodniu [Simultaneous anaerobic wastewater treatment and hydrogen production]. Journal of Water Chemistry. and Technology, 2, 163-176.
4. Prytula, I., Tashyrev, O. (2012). Usovershenstvo-vanie metoda vydeleniia vodorobrazuiushchikh bakteriy roda Clostridium [Improvement of the isolation method of hydrogen, which is formed by bacteria of genus Clostridium] Microbiology Journal, 74 (6), 58-64.
5. Shchurska, K., Kuzminskii, Ye. (2011). Sposoby produkuvannia biovodniu [Methods of hydrogen production]. Scientific news "KPI", 3, 105-114.
6. Chong, M.-L., Sabaratnam, V., Shirai, Y., Hassan, M. A. (2009). Biohydrogen production from biomass and industrial wastes by dark fermentation. International Journal of Hydrogen Energy, 34 (8), 3277-3287. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.02.010
7. Ntaikou, I., Antonopoulou, G., Lyberatos, G. (2010). Biohydrogen Production from Biomass and Wastes via Dark Fermentation: A Review. Waste and Biomass Valorization, 1 (1), 21-39. doi: 10.1007/s12649-009-9001-2
8. Venkata, M. S. (2009). Harnessing of biohydrogen from wastewater treatment using mixed fermentative consortia: Process evaluation towards optimization. International Journal of Hydrogen Energy, 34 (17), 7460-7474.
doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.05.062
9. Reungsang, A., Saripan, A. F. (2013). Biohydrogen production by Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum KKU-ED1: Culture conditions optimization using mixed xy-lose/arabinose as substrate. Electronic Journal of Biotechnology, 16 (1). doi: 10.2225/vol16-issue1-fulltext-1
10. Chen, C.-Y., Yang, M.-H., Yeh, K.-L., Liu, C.-H., Chang, J.-S. (2008). Biohydrogen production using sequential two-stage dark and photo fermentation processes. International Journal of Hydrogen Energy, 33 (18), 4755-4762. doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.06.055
11. De Amorim, E. L. C., Sader, L. T., Silva, E. L.
(2012). Effect of Substrate Concentration on Dark Fermentation Hydrogen Production Using an Anaerobic Fluidized Bed Reactor. Applied Biochemistry and Biotechnology, 166 (5), 12481263. doi: 10.1007/s12010-011-9511-9
12. Hay, J. X. W., Wu, T. Y., Juan, J. C., Md. Jahim, J.
(2013). Biohydrogen production through photo fermentation or dark fermentation using waste as a substrate: Overview, economics, and future prospects of hydrogen usage. Biofuels, Bi-oproducts and Biorefining, 7 (3), 334-352.
doi: 10.1002/bbb.1403
13. Seifert, K., Thiel, M., Wicher, E., Wodarczak, M., Laniecki, M. (2012). Microbiological Methods of Hydrogen Generation. Faculty of Chemistry, A. Mickiewicz University, Poznan, Poland. 225-250. doi: 10.5772/33563
14. Oh, Y.-K., Kim, Y.-J., Park, J.-Y., Lee, T. H., Kim, M.-S., Park, S. (2005). Biohydrogen production from carbon monoxide and water byRhodopseudomonas palustris P4. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 10 (3), 270-274. doi: 10.1007/bf02932024
15. Bothe, H., Winkelmann, S., Boison, G. (2008). Maximizing Hydrogen Production by Cyanobacteria. Zeitschrift Für Naturforschung C, 63 (3-4), 226-232. doi: 10.1515/znc-2008-3-412
16. Natural'noe jelektrichestvo: fotosintez - delo bu-dushhego (2006). Populjarnaja mehanika. Available at: http://www.popmech.ru/article/670-naturalnoe-elektrichestvo/
17. Chongcharoenthaweesuk, P., Jiangdong, Z., Ma-vituna, F. (2011). Metabolic flux balance analysis for biological hydrogen production by purple non-sulfur bacteria. IACSIT Press, Singapoore, 9.
18. Balashev, K. (1998). Fotocataliticheskoe preobra-zovanie solnechnoy energii. [Photocatalytic conversation of sun energy]. International Soros Science Education, 8, 58-64. Available at: http://window.edu.ru/resource/259/21259/ files/ 9808_058.pdf
19. Rubin, A. (2003). Reguliatzia pervichnyh protzess-ov photosinteza [Regulation of primary processes of photosynthesis]. Successes of biochemistry, 43, 225-265. Available at: http://www.inbi.ras.ru/ubkh/43/rubin.pdf
20. Nikandrov, V. (2000). Neorganicheskiie po-luprovodniki v biologicheskih I biochimicheskih sistemah: bi-osintez, svoystva i fotohimicheskaia aktivnost [Inorganic semi-conductiors in biological and biochemical systems: biosynthesis, characteristics and photocgemical activity]. Successes of biochemistry, 40, 357-596. Available at: http:// www.inbi.ras.ru/ubkh/40/nikandrov.pdf
21. Logan, B. E. (2005). Simultaneous wastewater treatment and biological electricity generation. Water Science & Technology, 52 (1-2), 31-37.
22. Ahn, Y., Logan, B. E. (2010). Effectiveness of domestic wastewater treatment using microbial fuel cells at ambient and mesophilic temperatures. Bioresource Technology, 101 (2), 469-475. doi: 10.1016/j.biortech.2009.07.039
23. Dalvi, A. D., Mohandas, N., Shinde, O. A., Ki-ninge, P. T. (2011 ). Microbial fuel cell for production of bioe-lectricity from whey and biological waste treatment. International journal of advanced biotechnology and research, 2 (2), 263-268.
24. Mathura, A. K., Singh, D. (2007). Microbial fuel cells: A promising technology for waste water treatment and power generation. Environ. Sci. Technol., 35, 3057-3063.
25. Zielke, E. A. (2005). Design of a single chamber microbial fuel cell. Microbial Fuel Cell technology, 35. Available at: http://www.engr.psu.edu/ce/enve/logan/bioenergy/ pdf/engr_499_final_zielke.pdf
Рекомендовано до публгкацИ' д-р бгол. наук Гвоздяк П. I.
Дата надходження рукопису 21.09.2015
Зубченко Людмила Сергй'вна, асистент, асшрант, кафедра екобютехнологп та бюенергетики, Нацюна-льний техшчний ушверситет Украши «Кшвський полггехшчний шститут», пр. Перемоги, 37, м. Кшв, Украша, 03056 E-mail: yellowjackets@ukr.net
Кузьмшський Свген Васильович, доктор х1м1чних наук, професор, заввдувач кафедри, кафедра екобютехнологп та бюенергетики, Нацюнальний техшчний ушверситет Украши «Кшвський полггехшчний ш-ститут», пр. Перемоги, 37, м. Кшв, Украша, 03056 E-mail: kuzminskiy@fbt.ntu-kpi.kiev.ua
