Бактерии из канализации могут стать производителями водородного топлива
Биологи из ФИЦ Биотехнологии РАН изучили бактерии, найденные в реакторе для очистки городских сточных вод. Эти микроорганизмы адаптировались к жизни в кислой среде и приспособились перерабатывать богатые простыми сахарами органические отходы, выделяя водород. Найденная бактерия оказалась представительницей нового штамма вида Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum — SP-H2. О свойствах этой бактерии и о том, как можно использовать ее в производстве водородного топлива, биотехнологи рассказали в статье на страницах журнала International Journal of Hydrogen Energy.
Продукты внутреннего сгорания загрязняют атмосферу, а цены на нефть постоянно растут. Альтернативой углеродному топливу могло бы стать водородное. Оно сжигается при участии кислорода, но вместо выделения токсичных веществ на выходе получается вода. Первый водородный транспорт уже начали выпускать крупные производители автомобилей — Audi, Toyota, Honda, Hyundai, Ford, BMW. Самым перспективным и безопасным для окружающей среды решением стало бы получение водородной энергии из возобновляемых источников, а не ископаемых, запасы которых быстро исчерпываются. В современной промышленности роль химических фабрик все чаще играют микроорганизмы, за миллионы лет эволюции приспособившиеся к переработке различных веществ и получению энергии буквально из воздуха, а нередко — не только без него, но и без света. Одну из разновидностей таких микроорганизмов и исследовали российские биотехнологи.
«По оценкам биологов, науке известно около 0,001% всех существующих видов микроорганизмов. Даже среди окружающих нас каждый день микроорганизмов большинство довольно трудно выращивать в лабораторных условиях, поэтому до сравнительно недавнего расцвета новых генетических методов мы ничего о них не знали. Исследование этой темы открывает неисчерпаемый кладезь ферментов и систем, которые позволяют получать самые разнообразные вещества и выполнять задачи для энергетики, фармацевтики, химии, сельского хозяйства и многих других областей. Одним из таких примеров стал новый штамм бактерии Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, получивший название SP-H2, который помог нам узнать много нового о получении водорода из органических соединений», — рассказывает соавтор научной работы, заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания ФИЦ Биотехнологии РАН, к.б.н. Юрий Литти.
Биотехнологи обнаружили в сточных водах ДНК бактерию, которая разлагает строительные блоки углеводов и выделяет водород, а также этанол, ацетат и бутират. Чтобы разобраться, что это за микроорганизм, ученые провели анализ 16S rRNA. В этом участке последовательности ДНК закодирован кусочек рибосомы — структуры, занятой в клетке сборкой белка. Результаты показали, что бактерия относится к новому штамму вида Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum. Исследование показало, что это теплолюбивый микроорганизм, который лучше всего себя чувствует и активно размножается при температуре 55–60 °C в слабощелочной среде с уровнем pH 7,5.
Ученые провели эксперименты, чтобы выяснить, из каких исходных веществ бактерии производят больше всего водорода. В «меню» Thermoanaerobacterim thermosacharolitycum SP-H2 оказались сахара: гексозы, состоящие из шестичленных углеродных «колечек» (мальтоза, глюкоза, манноза, фруктоза, лактоза, галактоза, сахароза, рафиноза и целлобиоза) и пентозы на основе колец из пяти атомов углерода (ксилоза и арабиноза). Также биотехнологи проверили, насколько хорошо бактерии чувствуют себя в богатых органикой жидких отходах предприятий: творожной сыворотке, стоках кондитерской фабрики и воде, оставшейся от свекловичного жома. Самый большой выход водорода дала мальтоза, чуть меньше — лактоза и целлобиоза. Из стоков предприятий лучшими вариантами оказались сыворотка и отходы кондитерского производства.
«До сих пор низкий выход конечного продукта остается проблемой для так называемой темновой ферментации. В среднем этот показатель достигает 1-2 моль на моль глюкозы. При этом часть органики в самых благоприятных условиях останется в растворе и избежит переработки. Кроме того, в процессе реакции накапливаются кислые побочные продукты, которые могут резко снизить уровень pH, что тоже может не понравиться бактериям. В нашей работе мы достигли выхода 1,91 моль водорода на моль глюкозы, а реакцией с самой высокой скоростью оказалось разложение ксилозы. Бактерии, переработавшие отходы фабрик, оказались предпочтительнее обычных городских сточных вод. Наши данные показывают, что Thermoanaerobacterim thermosacharolitycum SP-H2 можно считать перспективным штаммом для получения водорода из сточных вод, которому не мешают другие микроорганизмы, живущие в них. Найдя способ увеличить выход конечного продукта, можно научиться производить водородное топливо при помощи биотехнологий в промышленных масштабах», — комментирует Юрий Литти.
ФИЦ Биотехнологии РАН