Объединенная группа исследователей из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии и Университета Майами,США разработала технологический процесс, позволяющий цианобактериям использовать электричество для превращения углекислого газа в этилен или ацетат. В своей работе, опубликованной в журнале Energy & Environmental Science, участники эксперимента описывают свой метод и его возможное использование в качестве системы хранения энергии.

Как отмечают исследователи, естественный фотосинтез является неэффективным способом преобразования углекислого газа в полезные для человека соединения. В этой новой работе исследователи изменили часть процесса, чтобы сделать его более эффективным, и тем самым разработали новый способ хранения энергии.

Изображение, показывающее платформу фото-электросинтеза 
Новая концепция фотосинтеза поднимает порог эффективности естественного фотосинтеза для селективного производства топливных химикатов.

 

Ученые разделили естественный фотосинтез на две основные системы - фотосистему I и фотосистему II. Фотосистема I использует свет для переноса электронов через мембрану. В фотосистеме II ферменты захватывают фотоны, которые в свою очередь заряжают электроны. Исследователи отметили, что эта система не является эффективной из-за трех основных недостатков.  Во-первых, фотосистема I и фотосистема II, которые поглощают свет и возбуждают электроны в процессе фотосинтеза, имеют перекрывающиеся спектры поглощения и поэтому конкурируют за световую энергию. Во-вторых, кислород, вырабатываемый фотосистемой II, конкурирует с углекислым газом за активный центр RuBisCO, фермента, ответственного за фиксацию углекислого газа. Это вызывает фотодыхание, которое конкурирует с желаемым путем фиксации углерода. В-третьих, фотосинтез может использовать световую энергию только из небольшой области солнечного спектра, примерно 400-700 нм.

Чтобы преодолеть эти ограничения, группа ученых под руководством Джеффри Блэкберна и Вэя Ксионга разработала систему, которая позволяет цианобактериям использовать внешний источник электронов и света для фиксации углекислого газа. Они генетически удалили фотосистему II из цианобактерий и прикрепили модифицированные клетки к катоду в электрохимической цепи. При свете электричество, подаваемое извне, действовало как искусственная фотосистема II, доставляя электроны к фотовозбужденной фотосистеме I, позволяя клеткам преобразовывать углекислый газ в топливные молекулы, такие как ацетат и этилен. Удаляя фотосистему II, "мы блокируем фотосистему, которая имеет отношение к выделению кислорода, поэтому процесс фотодыхания может быть подавлен", - объясняет Вэй. В то же время, в нашей системе требуется только одна фотосистема, поэтому нет конкуренции за поглощение света".

Для выработки электроэнергии можно использовать возобновляемые источники, поэтому система представляет собой перспективный способ хранения такой энергии. Количество возобновляемой энергии, которую мы используем, растет с каждым годом, но электроны не всегда доставляются именно в то время, когда их нужно использовать", - объясняет Блэкберн. При использовании этой стратегии "вы получаете электроны, потенциально от фотоэлектрической энергии или энергии ветра, и храните их в виде химической энергии, используя интерфейс бактерии-материала, который выполняет это преобразование за вас". Это также дает дополнительное преимущество: вы получаете парниковый газ, углекислый газ, и превращаете его в полезный химический продукт".

Шелли Минтир, эксперт по биоэлектрокатализу из Университета Юты в США, говорит, что это творческий и инновационный подход. Это интересно, потому что микробы не предназначены для электросинтеза, поэтому возможность добавить в цианобактерии способность к химическим реакциям, представляющим интерес, очень важна". А Фредерик Лемэтр, эксперт по биоэлектрохимии из Университета Сорбонны во Франции, отмечает, что "хотя многое еще предстоит сделать", например, изучить различные источники энергии и расширить масштабы, "эта стратегия, несомненно, прокладывает путь для дальнейших и дополнительных работ по фиксации и преобразованию углекислого газа".