Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Фізіологія рослин та біотехнологія. Досягнення і перспективи розвитку
Перспективи перетворення сонячної енергії і біотехнологія

Маса рослинного покриву Землі становить близько 1800 млрдт сухої речовини, що еквівалентно 30-10²¹ Дж. Це відповідає відомим запасам енергії корисних копалин. За рахунок фотосинтезу в цілому на планеті синтезується 173 млрдт сухої речовини щорічно. Це майже в 20 разів перевищує використовувану енергію світового рівня 80-х років XX ст. Період з 1968 по 1978 р. в усьому світі характеризувався безпрецедентними витратами енергоносіїв, зокрема нафти, що і призвело до сучасної енергетичної кризи. Тому в останні роки зростає інтерес до розробки самовідновлюючих джерел енергії та сировини. З біотехнологічних методів конверсії біомаси в паливо найпоширенішим є ферментативне одержання етилового спирту та біогазу (- метану). Вважають, що конверсія біомаси в паливо та енергію найближчим часом досягне 10% витрат світової енергетики.

Біоенергія: фотовиробництво водню. В 60-х роках було встановлено, що ізольовані хлоропласти в присутності бактеріальної гідрогенази та штучного донора електронів продукують водень:

Джерелом водню виступають Органічні сполуки, фотоліз води не спостерігається. Пізніше, в 70-х роках, було виявлено, що такі хлоропласти при наявності гідрогенази, але вже без додаткових донорів електронів на сонячному світлі виділяють водень, якщо переносником електронів виступає фередоксин (Сассон, 1987). В такому випадку функціонують обидві фото- системи. Однак гідрогеназа, виділена з бактерії Clostridium, виявилась досить чутливою до кисню, тому реакцію проводили в атмосфері азоту та за участю компонентів, які сприяли видаленню кисню (глюкооксидаза + глюкоза).

Така суміш при рН=7,0, температурі 25 °С давала 50 мк/моль водню за 1 год на 1 мг хлорофілу протягом 6 год. В деяких лабораторіях цей процес тривав більше 10 год. Основним лімітуючим фактором виступав кисень.

Це досить перспективний шлях одержання енергії, бо в розпорядженні рослинного організму в достатній мірі є субстрат (Вода), нелімітоване джерело енергії (сонце), кінцевий продукт — водень можна зберігати. Він не забруднює довкілля, має високу теплоутворюючу здатність. Процес самовідтворюється, бо після виділення водню субстрат (вода) регенерується. Щоб підвищити вихід водню, слід знайти гідрогенази, які менш чутливі до О₂. Однак, тривалість процесу залежить від стабільності ізольованих хлоропластів. Якщо буде розроблено стабільну систему для одержання водню шляхом фотолізу води, то, витрачаючи 10⁶ Дж/м² сонячної енергії за добу (100 Вт/м²), така установка зможе продукувати в день 90 л Н₂ на 1 м², або близько 3 кг Н₂ на 1 м² в рік з енерговмістом близько 400⁶ Дж.

В перспективі дослідження молекулярних механізмів фотосинтезу, зокрема фотолізу води, дозволить зрозуміти сутність їх та вирішити питання розробки штучних систем, які б могли здійснювати даний процес більш ефективно, ніж сама рослина. Розробка стабільної фотохімічної системи, яка б здійснювала функцію другої фотосистеми хлоропластів (тобто фотоліз води, відновлення переносників електронів) стане важливим етапом в процесі перетворення сонячної енергії у водень. Фотовиробництво водню та перетворення енергії сонячного світла, використання біоенергій має надвичайно широку перспективу в майбутньому.