Микробная электроэнергия

Водород (красный), производимый белковыми комплексами в искусственной мембране. Иллюстрация Physorg

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) среди 10 опасностей, грозящих здоровью людей, отметила смог и загрязнение воздуха в городах, поражающих нежную альвеолярную ткань легких. Одним из решений проблемы мог бы стать переход на электромобили. Однако противники электрической тяги говорят, что для самих электромобилей используется экологически грязное производство энергии (не говоря о неизбежном загрязнении окружающей среды свинцом, который используется в аккумуляторах).

Кроме того, экологи считают, что власти недооценивают вред, наносимый гидроэлектростанциями. ГЭС – это обезлесивание и затопление больших пространств, расходы, связанные с переселением людей, и распространение малярии, особенно в теплых регионах мира.

Неудивительно, что ученые ищут выход из этого замкнутого круга в овладении неисчерпаемым источником энергии, которым давно «овладели» примитивные одноклеточные водоросли.

Более пяти лет назад Елена Рожкова из Аргоннской лаборатории неподалеку от Чикаго и ее коллеги из Северо-Западного университета в городе Эванстон (штат Иллинойс) предложили соединить в единый комплекс легко отдающую электроны платину, полупроводниковый оксид титана (TiO2) и… белок для получения водорода. Для нейтрализации образующейся в TiO2 после отдачи электрона положительно заряженной «дырки» ученые предложили использовать метанол (метиловый спирт) CH3OH, расщепляемый с образованием CO2 и воды, а также два положительно заряженных иона – протона. Они, в свою очередь, объединяются в молекулу водорода Н2.

Авторы использовали протеин красных солелюбивых клеток (галобактерий), пруды испарений которых в окрестностях Сан-Франциско окрашены в ярко-красный цвет благодаря бактериородопсину. Этот протеин в разных своих ипостасях работают в качестве протонной помпы, выкачивая из цитоплазмы закисляющие ее протоны. Другие бактериальные родопсины выполняет роль фотосенсоров и фермента, а также служат каналом для проведения катионов (положительных ионов) и анионов (отрицательно заряженных ионов), например натрия и хлора. Оба эти иона крайне важны для жизнедеятельности клеток.

Таким образом, Рожкова с коллегами создала функционирующую гибридную структуру, решающую проблему не только использования солнечной энергии, но и утилизации огромных количеств растительной органики. Сбраживание ее и дает метанол.

Другая исследовательница, Александра Фурасова, опубликовала в одном из оптических журналов (AOM) схему системы с использованием кремниевых наночастиц для подъема эффективности солнечных батарей. Преимущество использования наночастиц – в их способности удерживать поглощенный в широком диапазоне свет около активного слоя фотоячейки солнечной батареи. Сами частицы при этом свет не поглощают и не взаимодействуют с другими элементами батареи, что обеспечивает ее стабильность. Статья ученых называется «Силиконовые наночастицы для усиления поглощения света солнечными ячейками на основе галид-перовскита». Гибридный органико-неорганический перовскит позволил достичь эффективности 18,8%, что очень близко к нынешнему рекорду.

А вот в Стэнфордском университете с помощью ускорителя определили степень подвижности атомов в перовските. Выяснилось, в частности, что этот «танец» атомов сопровождается генерированием виртуальных звуковых волн, или фононов, приводящих, в свою очередь, к нагреву. В результате снижается поглощение света. Время жизни фононов ничтожно мало и не превышает 20 триллионных секунды (10–12 с). Тем не менее они не позволяют «горячим» электронам вырваться за пределы материала, что крайне нежелательно. Свои результаты ученые опубликовали в журнале «Труды АН США» (PNAS).

В той же Аргоннской лаборатории открыт способ приспособления естественных мембран для получения водорода из воды (Chemical Science, Science Advances). В качестве мембран использовались оболочки микробных клеток Geobacter sulfuredicens. Эта почвенная бактерия получает энергию за счет восстановления серы (отложение которой отмечается во многих районах мира, например, в знаменитом Йеллоустонском парке.)

Откуда же клетки получают электроны? Дело в том, что они их сами производят, подобно широко известной шеванелле (Shewanella) и некоторым штаммам кишечной палочки E. coli. За это свойство их относят к электрогенерирующим микроорганизмам. Электроны получаются за счет окисления – «отъема» электронов – у железа. Подобный же процесс постоянно происходит с железом в геме гемоглобина, присоединяющем то О2, то СО2. Внеклеточный электронный трансфер осуществляется по белковому каналу, пронизывающему внутреннюю и наружную оболочки. Железо при этом переводится из растворимой в нерастворимую форму. Именно благодаря этому процессу и формировались железорудные месторождения. Статья аргоннских химиков называется «Расщепление воды с помощью ферментов в гибридных мембранах». n