Energia viitorului: hidrogen fotosintetic din bacterii

Trecerea de la combustibili fosili la o sursă de energie regenerabilă este una dintre cele mai importante provocări globale ale secolului XXI. Pentru a atinge ținta convenită la nivel internațional de limitare a încălzirii globale la maximum 1,5 grade, comunitatea internațională trebuie să reducă drastic CO2 globalemisiilor. 

Deși Germania a fost considerată de mult timp un pionier în această tranziție energetică, o schimbare largă către energiile regenerabile în sectorul energetic rămâne încă un scenariu viitor. În acest sens, hidrogenul poate juca un rol important în viitor ca sursă de energie promițătoare, potențial neutră pentru climă. Folosit în pilele de combustibil, oferă energie pentru diverse aplicații și produce apă doar ca produs rezidual. 

În acest moment, hidrogenul este obținut în principal din electroliza apei – acest proces necesită inițial aport de energie, care până acum provine în cea mai mare parte din combustibili fosili. O economie de hidrogen neutru din punct de vedere climatic, adică utilizarea așa-numitului hidrogen verde, necesită ca producția de hidrogen să se bazeze exclusiv pe energie regenerabilă. 

Cercetătorii încearcă să exploateze o astfel de sursă de energie durabilă, de exemplu cu ajutorul fotosintezei. Încă de atunci, fotosinteza a furnizat omenirii energie din lumina soarelui, fie sub formă de hrană, fie ca combustibili fosili. În ambele cazuri, energia solară este stocată inițial în compuși de carbon, cum ar fi zahărul. Dacă acești compuși de carbon sunt exploitați, CO2 este eliberat. Fixarea fotosintetică a CO 2 este inversată în esență pentru a recupera energia solară din compușii carbonici.

La Universitatea Kiel, asociată profesorului Rüdiger Schulz, grupul de cercetare junior Bioenergetics în Photoautotrophs de la Institutul Botanic, condus de Dr. Kirstin Gutekunst, investighează modul în care acest ciclu de carbon – și emisiile de CO2 rezultate – pot fi evitate în timpul  conservării  energiei. „În acest scop, stocarea energiei solare direct sub forma de hidrogen promite-acest particular nu creează CO2, iar eficiența este foarte mare datorită conversiei directe”, spune Gutekunst pentru a explica abordarea ei de cercetare.

Cu echipa ei, ea investighează un cianobacterium specific: prin fotosinteză, poate produce hidrogen solar timp de câteva minute, care este însă consumat ulterior complet În studiul lor actual, cercetătorii de la Kiel descriu modul în care acest mecanism ar putea fi utilizat potențial pentru aplicații biotehnologice în viitor: au reușit să cupleze o enzimă specifică a cianobacteriilor vii, o așa-numită hidrogenază, cu fotosinteza în astfel de un mod prin care bacteria produce hidrogen solar pentru perioade îndelungate de timp și nu îl consumă.Oamenii de știință și-au publicat astăzi descoperirile în renumita revistă științifică Nature Energy.

Cianobacteriile ca fabrici de hidrogen

La fel ca toate plantele verzi , cianobacteriile sunt capabile să efectueze fotosinteza. În timpul acestui proces, energia solară este utilizată pentru a diviza apa și pentru a stoca energia solară chimic – în special sub formă de zahăr. Electronii trec prin așa-numitele sisteme foto în care suferă o cascadă de reacții care produc în cele din urmă purtătorul de energie universal adenosină trifosfat (ATP) și așa-numitele echivalente reducătoare (NADPH). ATP și NADPH sunt ulterior necesare pentru CO2 fixare pentru a produce zahăr. Astfel, electronii necesari pentru producerea hidrogenului fac parte, în mod normal, din procesele metabolice care furnizează cianobacteriilor energie stocată sub formă de zahăr. Echipa de cercetare Kiel a dezvoltat o abordare pentru redirecționarea acestor electroni și stimularea metabolismului organismelor vii pentru a produce în principal hidrogen.

„Cianobacteriul pe care îl investigăm folosește o enzimă, o așa-numită hidrogenază, pentru a produce hidrogenul din protoni și electroni”, spune Gutekunst, care este și membru al rețelei de cercetare a Centrului Plantelor Kiel (KPC) de la Universitatea Kiel. „Electronii folosiți în acest proces provin din fotosinteză. Am reușit să fuzionăm hidrogenază cu așa-numitul fotosistem I, astfel încât electronii să fie folosiți în primul rând pentru producerea de hidrogen, în timp ce metabolismul normal continuă să se extindă mai puțin,” continuă Gutekunst. În acest fel, cianobacteriul modificat produce semnificativ mai mult hidrogen solar decât în ​​experimentele anterioare.

Capacitatea de a se repara

Abordări similare pentru producția de hidrogen folosind fuziuni de hidrogenază și fotosistem au existat deja in vitro, adică în afara celulelor vii în eprubete sau pe suprafețele electrodului în celulele fotovoltaice. Cu toate acestea, problema acestor abordări artificiale este că acestea sunt de obicei de scurtă durată. Fuziunea hidrogenazei și a fotosistemului trebuie să fie re-create laborios, din nou și din nou. În schimb, calea urmată de echipa de cercetare Kiel are avantajul major al funcționării pe termen nelimitat. „Metabolizarea cianobacteriilor vii repara și înmulțește fuziunea hidrogenazei și fotosistemului și o transmite noilor celule în timpul diviziunii celulare, astfel încât, în principiu, procesul să poată continua”, subliniază liderul de proiect Gutekunst.

Una dintre provocările actuale este faptul că hidrogenază este dezactivată în prezența oxigenului. Fotosinteza „normală” care continuă în celulele vii, în timpul cărora oxigenul este eliberat prin divizarea apei, inhibă astfel producerea de hidrogen. Pentru a elimina oxigenul, sau mai precis, pentru a reduce cantitatea eliberată, cianobacteriile pentru producția de hidrogen sunt în prezent parțial trecute la așa-numita fotosinteză anoxigenică. Aceasta nu se bazează pe divizarea apei. Prin urmare, electronii pentru producția de hidrogen derivă în prezent parțial din divizarea apei și parțial din alte surse. Dar obiectivul pe termen lung al echipelor de cercetare Kiel este să folosească electroni numai din divizarea apei pentru producerea de hidrogen.

Conceptele pentru energia viitorului

În general, noua abordare in vivo oferă o perspectivă nouă și promițătoare pentru stabilirea divizării fotosintetice a apei ca mijloc de producție pentru hidrogenul verde, neutru din punct de vedere al climatului și, prin urmare, pentru a promova generarea de energie durabilă. Pe termen mediu, cercetările ulterioare asupra căilor metabolice ale cianobacteriilor din grupul Gutekunst sunt concentrate în special pe creșterea în continuare a eficienței producției solare de hidrogen . 

„Rezultatele cercetării colegului nostru sunt un exemplu excelent al modului în care cercetările fundamentale asupra plantelor și microorganismelor pot contribui la rezolvarea provocărilor sociale”, subliniază profesoara de cuvânt KPC, Eva Stukenbrock. „Contribuim astfel la Kiel la o dezvoltare durabilă a economiei de hidrogen ca o alternativă viabilă pentru un viitor furnizor de energie sigur”. Sursa