Бактериальный захват и переработка углекислого газа

БИОЛОГИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ ЗАХВАТА И ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Бактерии E. coli показали, что могут превосходно участвовать в конверсии СО₂

Конве́рсия (от лат. conversio — превращение, изменение) — процесс переработки газов с целью изменения состава исходной газовой смеси. Конвертируют обычно газообразные углеводороды (метан и его гомологи) и оксид углерода (II) с целью получения водорода или его смесей с СО.

Ученые из Университета Данди (англ. University of Dundee) обнаружили, что кишечная палочка (бактерия E. coli) может содержать ключ к эффективному методу сбора, хранения или переработки углекислого газа. Они разработали процесс, позволяющий использовать бактерии E. coli в качестве очень эффективного устройства захвата углерода.

Сокращение выбросов двуокиси углерода (углекислого газа - CO₂) в атмосферу, чтобы замедлить и даже обратить вспять глобальное потепление, было определено человечеством как большая проблема. Это цель, которая является предметом значительных политических и социальных препятствий, но она также сталкивается с технической проблемой.

Парниковый эффект — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса. Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон. В течение последних десятилетий наблюдается рост концентрации углекислого газа в атмосфере. Повышение температуры воздуха приводит к тому, что территории, которые мало увлажняются атмосферными осадками, становятся засушливыми и непригодными для жизни. Здесь гибнут урожаи, что приводит к продовольственному кризису населения данной местности. Также животным не находится пропитания, поскольку из-за недостатка воды вымирают растения. Таким образом, парниковый эффект становится причиной глобального потепления, а это приводит также ко многим недугам и инфекционным заболеваниям.

Требуется новые способы сбора и хранения СO₂

И вот совсем недавно было показано, что вполне безобидные бактерии кишечника, могут сыграть решающую роль в данном вопросе.

Профессор Фрэнк Сарджент (Frank Sargent) и его коллеги из школы естественных наук Университета Данди разработали процесс, который позволяет кишечной палочке  (бактерия E. coli) работать в качестве очень эффективного улавливающего устройства углекислого газа.

Профессор Сарджент сказал: "сокращения выбросов углекислого газа потребует множество различных решений и природа предлагает некоторые интересные варианты. Микроскопические одноклеточные бактерии привыкли жить в экстремальных условиях и часто выполняют химические реакции, какие не могут сделать растения и животные.

"Например, кишечная палочка  (бактерия E. coli) может расти в условиях полного отсутствия кислорода. Когда она это делает, то создает специальные металлсодержащие ферменты, называемые «ФХЛ» (гидроген-лиаза формиата от англ. FHL - formate hydrogen-lyase), которые производят взаимопревращения между газообразным диоксидом углерода и жидкой муравьиной кислотой. Это может предоставить возможность для захвата углекислого газа в контролируемый продукт, который легко хранить, управлять или даже использовать для других целей. Беда только в том, что нормальный процесс преобразования происходит медленно и иногда нестабильно.

Примечание ред.:

Водород-зависимое уменьшение углекислого газа до муравьиной кислоты представляет собой перспективный путь к секвестрации парниковых газов, технологии снижения выбросов углерода, водорода, транспортировки, хранения и устойчивого использования возобновляемого сырья для химической промышленности. Наиболее распространенным подходом к выполнению прямой гидрогенизации CO₂ до формиата является использование химических катализаторов в однородных или гетерогенных реакциях.

• Формиаты — соли и эфиры муравьиной кислоты. Формиаты металлов обычно получают реакцией гидроксидов, оксидов или карбонатов металлов с муравьиной кислотой.

• Муравьиная кислота (метановая кислота) HCOOH — первый представитель в ряду насыщенных одноосновных карбоновых кислот. Зарегистрирована в качестве пищевой добавки под обозначением E236. Своё название муравьиная кислота получила потому, что впервые она была выделена в 1670 году английским натуралистом Джоном Рэйем из рыжих лесных муравьёв. В природе также обнаружена у пчёл, в крапиве, хвое.
  

Альтернативным подходом является использование способности живых организмов выполнять эту реакцию биологически. Тем не менее, хотя пути фиксации CO₂ широко распространены в природе, было описано лишь несколько ферментов, которые имеют способность выполнять прямое гидрирование CO₂.

Фермент «ФХЛ», или (англ. FHL) - гидроген-лиаза формиата (formate hydrogen-lyase) из Escherichia coli обычно окисляет муравьиную кислоту до углекислого газа и пара, которые реагируют непосредственно на сокращение протонов до молекулярного водорода.

В представленной работе разблокирована обратная реакция FHL. Установлено, что ферменты FHL могут работать в качестве высокоэффективных водород-зависимых редуктаз углекислого газа при газообразных СО₂ и Н₂ под давлением (до 10 бар). Указанная обратная реакция имеет огромный потенциал по ее использованию в качестве новой технологии захвата углерода или в качестве мобильного завода специально для производства муравьиной кислоты, которая является товаром сама по себе, а также в качестве сырья для синтеза других ценных химических веществ.

Повышение давления газа позволяет эффективно синтезировать Формиат из CO₂

Считается, что сам CO₂, в отличие от углекислоты, бикарбоната или карбоната, является прямым продуктом (и субстратом) для бактериальных ферментов формиат-дегидрогеназ*.

*Формиат дегидрогеназы представляют собой набор ферментов, которые катализируют окисление формиата до углекислого газа.

При нейтральном pH поведение CO₂ в растворе известно как сложное, и, таким образом, доступность субстрата для фермента FHL, вероятно, будет ограничивающим параметром. Закон Генри гласит, что количество растворенного газа пропорционально приложенному давлению; С помощью закона Генри для Н₂ и СО₂ была разработана модель, которая прогнозирует, что СО₂ может достигать ≈120 ммоль⋅л⁻¹ в растворе и H₂ ≈4 ммоль⋅л⁻¹, когда смешиваются при 10 бар давления (Фиг. 1). Затем была разработана система биореакторов давления (Фиг. 2).

Подробнее см. статью из журнала Cell.

Фиг.1	Фиг. 2

"То, что мы сделали, это разработали процесс, который позволяет кишечной палочке действовать как очень эффективное биологическое устройство углеродного захвата.

Когда бактерии, содержащие фермент ФХЛ (англ. FHL) находятся под давлением диоксида углерода и водорода в газовых смесях до 10 атмосфер давления, тогда наблюдается 100-процентная конверсия диоксида углерода до муравьиной кислоты. Реакция происходит быстро, в течение нескольких часов, и при температуре окружающей среды.

"Это может стать важным прорывом в области биотехнологии. Это должно быть возможно, чтобы оптимизировать систему еще дальше и, наконец, разработать "заводы микробных клеток", которые смогут очистить от углекислого газа многие различные типы промышленности.

"Не все бактерии плохие. Некоторые могут даже спасти планету".

Не только захват углекислого газа, но и хранения или переработка это тоже главный вопрос. Миллионы тонн СO₂ закачивается в атмосферу каждый год. Для одной только Великобритании, чистая эмиссия СO₂ в 2015 году составила 404 млн. тонн. Есть серьезный вопрос, если мы захватим его, где мы можем разместить весь объем, даже с учетом актуальных предложений, в том числе нагнетая его под землей в пустотах нефтяных и газовых месторождений.

"Решение E. coli, которое мы нашли, не только привлекательно, как технология улавливания углерода, оно преобразует его в жидкость, которая является стабильной и сравнительно легко хранится", - сказал профессор Сарджент.

"Муравьиная кислота также имеет большое промышленное применение, от консерванта и антибактериального агента в корм скоту, коагулянта в производстве резины, и в соленом виде как антиобледенитель для взлетно-посадочных полос аэропорта. Потенциально все это может быть превращено в биологические процессы, которые производят СO₂ образуя замкнутый цикл."

Источник: ScienceDaily

Ссылка  в журнале Cell:

Magali Roger, Fraser Brown, William Gabrielli, Frank Sargent. Efficient Hydrogen-Dependent Carbon Dioxide Reduction by Escherichia coli.  Current Biology, 2017

P.S. Несмотря на то, что основное направление новостной тематики нашего сайта связано с пищевой биотехнологией, медициной и ветеринарией, использование потенциала микроорганизмов в других сферах (экологии, промышленной безопасности и т.п.) представляет не менее важный интерес, особенно в целях понимания неограниченных возможностей прикладного использования результатов исследования удивительного микромира. Опубликованный материал тем более интересен, т.к. описаны перспективы применения кишечных бактерий, что само по себе весьма занимательно.