ВОДОРОСЛИ: ВОДОРОД, БИОДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО, УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ И ОЧИСТКА ВОДЫ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ВОДОРОСЛИ: ВОДОРОД, БИОДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО, УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ И ОЧИСТКА ВОДЫ

С.А. Марков

Государственный университет им. Остина Пи, кафедра биологии, а/я 4718, Кларксвилл, штат Теннесси, 37044, США, тел.: 1 (931) 221-7440, факс: 1 (931) 221-6323, e-mail: markovs@apsu.edu

В статье суммированы научные интересы и основные достижения лаборатории профессора С. Маркова по применению водорослей для продукции водорода и биодизельного топлива с одновременным использованием их для очистки воды.

ALGAE: HYDROGEN, BIODIESEL, CARBON DIOXIDE AND WATER CLEANUP

S.A. Markov

Austin Peay State University, Department of Biology Clarksville, Tennessee, 37044, USA Tel.: 1 (931) 221-7440, fax: 1 (931) 221-6323, e-mail: markovs@apsu.edu

Dr. S. Markov's research interests and results on application of algae for hydrogen and biodiesel production and water cleanup are summarized in this paper.

Водоросли

Работа в моей лаборатории посвящена в основном изучению водорослей. Мы изучаем возможность получения молекулярного водорода и биодизельного топлива из водорослей и использования водорослей для очистки воды. Водоросли меня заинтересовали давно. Еще будучи студентом биологического факультета МГУ и прочитав книги профессора М.В. Гусева [1] о сине-зеленых водорослях, я тогда уже решил посвятить свою жизнь изучению этих организмов. Сине-зеленые водоросли - водоросли необычные (рис. 1). Это самые древние водоросли на Земле. Эти организмы легко обеспечивают свое существование: им необходимы лишь углекислый газ и азот из воздуха, вода, солнечный свет и небольшое количество минеральных солей. Именно поэтому сине-зеленые водоросли вездесущи и обладают потрясающей приспособляемостью к раличным условиям внешней среды. Моя дипломная работа под руководством проф. Гусева была как раз и связана с приспособляемостью сине-зеленых водорослей и посвящена изучению формирования фотосинтетических пигментов сине-зеленых водорослей в темноте. Оказалось, что эти водоросли синтезируют свои пигменты в темноте (ночью или зимой на дне водоемов), что позволяет им начинать фотосинтезировать немедленно, как только они попадают на свет. На свету поэтому они растут очень быстро и своим неуемным ростом доставляют много неприятностей человеку, заполняя обширные водохранилища и пруды, охладители электростанций. Нарушается природное равновесие. Бывают случаи гибели рыб,

отравления питьевой водой животных и человека. Этот природный феномен называется «цветением» воды. Однако водоросли не только нежелательное для человека явление. Скорее наоборот. Эти организмы представляют собой перспективный объект для биотехнологии. Водоросли, например, могут выделять молекулярный водород.

Рис. 1. Сине-зеленая водоросль Anabaena variabilis Fig. 1. Blue-green alga Anabaena variabilis

Водород

Водород является перспективным транспортным топливом, не загрязняющим окружающую среду вредными продуктами сгорания. Многие компании, которые производят автомобили, имеют сейчас готовые прототипы машин, использующих в качестве топлива водород. «Хонда» уже продает такие автомобили для всех желающих. Существующие в настоящее время промышленные способы получения водорода неэкономичны и невозобновляемы. Поэто-

. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» N2 4 (72) 2009

^^ © Научно-технический центр «TATA», 2009

Водородная экономика. Методы получения водорода

му нужно найти эффективный и не загрязняющий окружающую среду метод продукции водорода. Один такой «зеленый», обещающий метод - это биологическое получение водорода из водорослей. Водоросли продуцируют водород из воды, используя солнечный свет в качестве источника энергии. А пока у нас еще достаточно воды и солнечного света вокруг. Есть, правда, проблема. У водорослей водород катализируется ферментами гидрогеназой или нитрогеназой, но оба этих фермента чувствительны к кислороду. Кислород подавляет активность этих ферментов, а также выключает гены, ответственные за эти ферменты. Таким образом, ферменты не работают на воздухе. Работа в моей лаборатории направлена, в частности, на преодоление этой проблемы. Мы обнаружили, что помещение клеток водорослей в закрытый сосуд с последующим понижением давления воздуха (попросту создавая частичный вакуум) активирует выделение водорода. Этот способ стимулирования выделения водорода водорослями, который был нами запатентован в Российской Федерации (патент № 2083481, 1997 г.), можно использовать в промышленных установках. Помещение водорослей под вакуум удаляет внешний кислород из окружающей клетки атмосферы, но не обязательно останавливает фотосинтетическое выделение кислорода самими клетками. Мы обнаружили, что короткое освещение клеток водорослей светом высокой интенсивности (2000 ц молей фотонов на м2 в секунду) обратимо ингибирует фотосинтетическое выделение кислорода, таким образом активируя выделение ими водорода [2].

Рис. 2. Конформация ДНК водорослей в аэробных условиях (рисунок Эйвазовой Э.Р.)

Fig. 2. DNA conformation in algae under aerobic conditions

В моей лаборатории мы также исследуем молекулярный механизм, который регулирует экспрессию генов, ответственных за выделение водорода из водорослей в бескислородных (анаэробных) условиях. Мы предположили, что есть определенная конформация ДНК, которая способствует активации водородных генов в анаэробных условиях. Мы определи-

ли конформацию молекулы ДНК у зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii в бескислородных условиях и в присутствии кислорода (когда выделение водорода отсутствует). У этой водоросли только один ген ответственен за продукцию водорода (hydAl). Для определения конформации ДНК в районе этого гена мы использовали новый метод «Связывание конформации хромосом», предложенный профессором Деккером несколько лет назад. Мы обнаружили, что ДНК водоросли свернута в кислородных условиях (рис. 2) и поэтому не происходит экспрессии водородного гена и отсутствует выделение водорода. В бескислородных же условиях ДНК развернута и ген легко экспрессируется, что видно по продукции водорода [3].

Биодизельное топливо

Кроме получения водорода, водоросли можно использовать для продукции биодизельного топлива с одновременным удалением избытка СО2 из атмосферы. Известно, что накопление СО2 в атмосфере ведет к глобальному потеплению. Биодизельное топливо -это заменитель дизельного топлива, которое получают в настоящее время в основном из растительного или животного масла. Даже из самых оптимистических прогнозов биодизельное топливо из растительного масла не сможет заменить даже небольшую долю дизельного топлива в будущем. К счастью, многие виды водорослей могут аккумулировать достаточное количество масла, которого достаточно для производства биодизельного топлива. Для выращивания водорослей мы используем фотобиореакторы. Фотобиореакторы - это приборы для оптимального культивирования и функционирования водорослей [4]. Продуктивность фотобиореакторов по выращиванию водорослей в пять раз превышает продуктивность прудов. Фотобиореактор должен быть простым, недорогим, позволяющим достигать высокой концентрации клеток, энергетически эффективным и который можно легко увеличить до промышленного образца. Наш 100-литровый пилотный трубчатый фотобиореактор сделан из прозрачного пластика и позволяет получать до 10% биодизельного топлива из сухой биомассы водоросли Chlorella. Более того, полученный после трансформации масла в биодизельное топливо глицерин мы сбраживаем с помощью бактерий в этиловый спирт и водород.

Очистка воды

Для выращивания водорослей в фотобиореакто-рах не обязательно использовать чистую воду. Можно использовать сточные воды после их очистки с помощью бактерий. Такие сточные воды все еще содержат большое количество неорганических соединений азота и фосфора. Сбрасывание таких вод обратно в водоемы нежелательно, так как это стимулирует «цветение» воды или активный рост

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (72) 2009

© Scientific Technical Centre «TATA», 2009

С.А. Марков. Водоросли: водород, биодизельное топливо, углекислый газ и очистка воды

водорослей. Вместо того, чтобы выливать сточные воды в водоемы, можно пропускать их через фото-биореакторы с водорослями (те же, что мы используем для получения биодизельного топлива). Водоросли будут поглощать азотные и фосфорные соединения из воды, так как они нужны им для роста (для синтеза их белков и ДНК). Мы используем водоросли в фотобиореакторах в нашей лаборатории для очистки воды от нитратов, нитритов, фосфатов и ионов аммония [5]. Для этого мы применяем специальные фотобиореакторы, построенные из полых волокон. Полые волокна сделаны из полупроницаемой мембраны. Вода и небольшие молекулы свободно проходят через мембрану полых волокон, клетки же, в связи с их размерами, не могут проходить через мембрану. Таким образом, биореакторы с полыми волокнами позволяют быстро отделять очищенную воду от клеток водорослей. Клетки водорослей растут на полых волокнах. Такие клетки называются иммобилизованными. Многие водоросли существуют в природе в иммобилизованном состоянии, на частичках почвы или в симбиозе с другими организмами. Считается, что иммобилизация повышает физиологические функции водорослей. Но главное преимущество фотобиореактора с полыми волокнами - это увеличение поверхности контакта водорослей с загрязненной водой, что позволяет значительно увеличить эффективность работы фотобио-реактора. Так, наш фотобиореактор для удаления ионов аммония из воды клетками зеленой водоросли C. reinhardtii (рис. 3) состоял из 60 полых волокон диаметром 180 мкм (АМ-4ОМ-8Б, Asahi Medical CO., Япония) внутри стеклянной трубки. Объем фо-тобиореактора - 15 мл. Большая разница между поверхностью и объемом фотобиореактора позволила построить компактную систему с высокой плотностью клеток внутри. Фотобиореактор был построен так, что вода с растворенным аммонием с помощью насоса поступала из резервуара во внешнее пространство волокон и оттуда во внутреннее пространство полых волокон фотобиореактора и обратно в резервуар. Это создавало закрытую систему. Водоросли были иммобилизованы на внешней стороне полых волокон и поглощали ионы аммония. Фото-биореактор работал в течение 25 дней и удалял ионы аммония с эффективностью до 88%. Такие же водоросли, но в колбе, удаляли ионы аммония только с 50%-й эффективностью за то же время.

Рис. 3. Схема фотобиореактора с полыми волокнами для удаления ионов аммония из воды клетками водорослей Fig. 3. Schematic diagram of a photobioreactor for ammonium ion removal from water by algal cells

Подобные наши эксперименты продемонстрировали потенциал использования фотобиореакторов с полыми волокнами и водорослями для очистки воды.

Дополнительное преимущество полых волокон состоит в том, что они являются фильтрами сами по себе.

Список литературы

1. Гусев М.В. Сине-зеленые водоросли. М.: Издательство МГУ, 1968.

2. Markov S.A., Eivazova E.R., Greenwood J. Photostimulation of H2 production in the green alga Chlamy-domonas reinhardtii upon photoinhibition of its O2-evolving system // Int. J. Hydrogen Energy. 2006. Vol. 31. P. 1314-1317.

3. Markov S.A., Eivazova E.R. and Durr B. Loop configuration in the chromosome region containing [Fe]-hydrogenase gene of Chlamydomonas reinhardtii. Abstracts 16th World Hydrogen Energy Conference. June 13-16, 2006, Lyon, France.

4. Markov S.A. Bioreactors for hydrogen production // O R. Zaborsky (ed.) Biohydrogen, 1998. P. 393-390.

5. Hall D O., Markov S.A., Watanabe Y. and Rao K.K. The potential application of cyanobacterial photosynthesis for clean technologies // Photosynthesis Research. 1995. Vol. 46. P. 159-167.

ГхГ*

» TATA —

LXJ

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 4 (72) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009