Топливные элементы отличаются безотходностью, автономностью и компактностью. Кроме того, их преимуществом являются бесшумность и возможность использования различных видов топлива, таких как водород, метан, легкие углеводороды, метанол, этанол и др. С помощью топливных элементов можно создавать установки различной мощности, изменяя число рабочих модулей. Однако они имеют ряд технических несовершенств, что сдерживает их применение несмотря на огромные преимущества перед другими способами получения электрической энергии.
Одной и, может быть, самой существенной трудностью, стоящей на пути внедрения топливных элементов, является создание микропористого материала, способного обеспечить межфазовый контакт между газом, жидкостью и твердым телом, в зоне которого, собственно, и происходит обмен электронов, или так называемое холодное горение.
Создание таких структур — довольно трудное дело, но и, уже созданные, они зачастую теряют свои свойства в процессе эксплуатации. Кстати, именно этим объясняется короткое время их функционирования.
Между тем подобные структуры имеются в микробной, как, впрочем, и в любой другой живой клетке. Возникает простая мысль использовать их при конструировании топливных элементов. Эти биологические структуры — биологические мембраны обладают одновременно и гидрофильными, и гидрофобными свойствами. В них не происходит замокания гидрофобных участков в процессе эксплуатации, что обеспечивает надежность и длительность их функционирования.
Пока что трудно предугадать, что предпочтут конструкторы топливных элементов: создавать новые эффективные способы получения гидрофобно-гидрофильных структур или стабилизировать «старые», созданные природой.
Но по какому бы пути ни пошло развитие топливных элементов — техническому или биотехнологическому, для их работы нужно сырье, и здесь первое слово принадлежит микробиологии, так как с ее помощью можно легко производить горючее для топливных элементов, например метан, метанол, этанол и, конечно, водород.
Кстати сказать, последний можно получать с помощью некоторых микроорганизмов, используя в качестве сырья глюкозу. Пока это экономически невыгодно. Но возможны и новые подходы к получению сахаров, что позволит сделать производство водорода таким способом рентабельным. Так, американский патент 4 480 035 предлагает использовать отходы древесины для получения обогащенных глюкозой сред, на которых можно вырастить водородообразующие микроорганизмы Citrobacter freundii или Enterobacter aerogenes, производящие до 60 % водорода.
Не следует считать, что работы над топливными элементами находятся на уровне патентных заявок. Французские исследователи создали водородный топливный элемент, который станет частью гибридной системы питания сотовых телефонов. По размерам он не больше зажигалки. Компания Sony продемонстрировала гибридный топливный элемент, обеспечивающий энергией мобильное видео в течение 14 часов. Компания Sharp представила новый топливный элемент, работающий на метаноле, мощность которого в семь (!) раз выше ранее разработанных аналогов, а габариты сопоставимы с литиевыми батареями.
Топливные элементы могут быть использованы не только для таких маломощных устройств, как перечисленные выше. Уже проходят технические испытания автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах. В 2008 г. в США состоялся автопробег автомобилей, использующих в качестве топлива водород. Более того, «первые ласточки» уже появились и в небе. В октябре 2008 г. немецкое Агентство по аэронавтике объявило о проведении испытаний самолета с топливными элементами. Разумеется, речь идет не о замене турбовинтовых двигателей, но как минимум электроснабжение систем управления авиалайнера будет обеспечиваться топливными элементами.
Описанные нами возможности и успехи микробиологии в решении энергетических проблем находятся в различных фазах научной разработки и реализации. Помимо дальнейшего совершенствования этих устройств понадобятся еще значительные усилия, чтобы соединить их в единую технологическую схему для получения и использования энергии.
И кто знает, не здесь ли, на стыке стабилизированных биоструктур и водородной энергетики, будет найдено решение энергетических проблем, стоящих перед человечеством?
Глава 27
Микробиология — основа новейших технологий
Всякая наука черпает свои права на существование в возможности так или иначе оказаться полезной человечеству в качестве науки прикладной.
В. ОствальдПрошло уже достаточно времени с тех пор, как человек начал последовательно и настойчиво исследовать природу. Каждое новое крупное открытие знаменует собой новую эпоху и вооружает человека новыми возможностями для еще более полного подчинения природы его нуждам.
Успехи атомной физики, физики полупроводников и химии полимеров на какое-то время затмили свет знаний, исходящий от исследований живых объектов. Изучение принципов их устройства и функционирования, которые до недавнего времени были уделом рассеянных чудаков, со временем стало приносить свои плоды.
Вообще следует заметить, что в науке и технике по мере более глубокого проникновения в суть вещей и явлений наблюдается все большее приближение к природным «техническим устройствам». И если пока технический уровень изделий, изготовленных человеком, или эффективность технологических процессов все же отстают от природных аналогов, то поневоле напрашивается мысль использовать их в готовом виде. В этом, возможно, и заключается основной смысл биотехнологических подходов.
Человечество давно использует для своих нужд оба биологических царства — растительное и животное. Сейчас наступило время, когда мы вплотную подошли к тому, чтобы извлекать пользу из всех возможностей третьего биологического царства — царства микроорганизмов.
На первых этапах его освоения человечество следовало проторенной дорогой, копируя опыт использования возможностей мира растений и животных и получая главным образом продукты питания. Со времен Левенгука до нашего времени микробиология прошла большой путь: от не имеющих никакого практического применения наблюдений за таинственным миром «анималькулей» до получения с помощью микроорганизмов различных веществ, производство которых достигает сотен и тысяч тонн. Но это только первый этап освоения возможностей царства микроорганизмов, которые обладают значительно бóльшими возможностями: с их помощью можно попытаться разработать не имеющие аналогов технологии. Ниже мы рассмотрим некоторые возможности микроорганизмов, которые открыли новую эру — эру биотехнологии. Следует отметить, что имеются в виду не только микробиологические способы получения в больших количествах различных веществ. Биотехнология — это базовая основа новейших технологий, остро необходимых человечеству уже сейчас.
Какие же требования к ним предъявляются? Прежде всего, они должны быть экологически чистыми или безотходными, энергосберегающими и, наконец, экономически выгодными.
Давайте же вместе посмотрим, удовлетворяют ли этим требованиям некоторые прикладные направления микробиологии и биотехнологии.
Начнем с энергетики. В течение длительного времени человек получал энергию за счет сжигания древесины. Однако этот путь уже не мог удовлетворить его растущие энергетические потребности. Проблема была решена за счет ископаемого топлива, ставшего в настоящее время одним из основных источников энергии.
В главе, посвященной геологии, мы останавливались на биотехнических приемах использования микроорганизмов при разработке месторождений нефти и угля. Но ископаемого топлива становится все меньше. За каких-то 200 лет эффективного использования его запасы еще не исчерпаны, но оставшееся количество заставляет всерьез задуматься о других источниках энергии. И здесь на помощь приходят микробиологические способы получения спиртов из возобновляемых источников сырья (подробно этот вопрос освещен в главе 26 «Микробы вытесняют бензин»). Здесь хотелось бы добавить, что этот путь доведен до уровня промышленной эксплуатации, что позволило, например, Бразилии начиная с 1991 г. ежегодно экономить $3,5 млрд за счет снижения импорта нефти и нефтепродуктов. Это яркий пример, иллюстрирующий экономические возможности биотехнологии.
Использование метанола и этанола в качестве моторного топлива или добавок к нему иллюстрирует существенный вклад микробиологии в решение энергетической проблемы. Однако более перспективными, по всей вероятности, являются биотехнологические способы производства энергии, основанные на получении водорода из возобновляемых источников и его утилизации в биотопливных элементах, обладающих высоким КПД. Еще одним основанием для такой точки зрения является экологическая чистота водородной энергетики.
Использование метанола и этанола в качестве моторного топлива или добавок к нему иллюстрирует существенный вклад микробиологии в решение энергетической проблемы. Однако более перспективными, по всей вероятности, являются биотехнологические способы производства энергии, основанные на получении водорода из возобновляемых источников и его утилизации в биотопливных элементах, обладающих высоким КПД. Еще одним основанием для такой точки зрения является экологическая чистота водородной энергетики.
Биотехнология позволяет одновременно решать как энергетические, так и экологические проблемы. Так, микробиологическая переработка органических отходов, решая задачу охраны окружающей среды, позволяет получать биогаз, не уступающий по калорийности природному. Получение этого газа, образующегося при метановом брожении органических отходов, не требует ни разведки, ни бурения скважин, ни прокладки многокилометровых газопроводов. В результате стоимость биогаза оказывается ниже стоимости природного. Кроме того, его производство, по крайней мере в обозримом будущем, обеспечено сырьевой базой, каковой являются органические отходы городов. Их общая масса, пригодная для производства этанола, только в США составляет около 1 млрд тонн. Утилизация органических отходов микробиологическим способом и сама по себе экологически чиста, так как практически безотходна: получаемые отходы в виде шлама могут быть использованы как удобрения и, таким образом, включены в биологический цикл. Однако не следует забывать, что сама микробиологическая промышленность является в свою очередь источником экологических загрязнений. Действительно, производство кормовых дрожжей только в нашей стране составляет 1,5 млн тонн. Естественно, что при таких масштабах довольно велики и отходы. Культуральная жидкость после отделения дрожжей содержит значительное количество минеральных веществ, витаминов и продуктов метаболизма. Как их использовать? Каковы вообще пути создания экологически чистых или безотходных производств?
Здесь опять образцом для подражания служит живая природа. Рассматривая схему метаболических путей (последовательность превращений веществ в клетке), мы видим, что одно вещество является субстратом для определенной ферментативной реакции, а вновь полученный продукт, в свою очередь, служит субстратом для последующей.
Аналогичная последовательность должна быть создана и в системе безотходного производства. Отходы одного производства должны служить сырьем (основой) для следующего, и так до тех пор, пока в результате не получатся вещества, не обладающие негативным воздействием на экологическую ситуацию.
Однако создать такую же ферментативную «мельницу» для разрушения экологически опасных субстратов до углекислого газа и воды довольно затруднительно. Можно, правда, попытаться использовать в этих целях различные группы микроорганизмов, биохимическая активность которых последовательно соединяется в процессы, проходящие в биохимической «мельнице» клетки.
Так, отходы, получаемые при культивировании дрожжей и остающиеся после их сепарации, можно использовать для культивирования других микроорганизмов, а отходы, остающиеся после этого (второго) культивирования, послужат субстратом для метанового брожения. И, наконец, отходы метанового брожения тоже могут быть с успехом утилизированы, правда, уже не для выращивания микроорганизмов.
При добавлении в бетон метановой бражки в количестве 0,3 % от массы замеса его прочность увеличивается на 40 %, на 12 % уменьшается расход воды, возрастает морозоустойчивость и увеличивается расплыв конуса — важнейшая характеристика бетона.
Таким образом, есть способ избавиться от отходов различных брожений, используя их в качестве пластификаторов бетона. Для этих целей можно применять мелассу, последрожжевую барду и уже описанную выше метановую бражку. Эти отходы микробиологического производства, будучи замешенными в бетон, теряют экологически негативное влияние и, кроме того, придают ему дополнительные положительные качества.
Не менее существенна роль микробиологии в борьбе с антропогенными загрязнениями (см. главу 15 «Всеядные»).
В Англии удалось выделить микроорганизмы, превращающие полихлорвиниловые пленки в углекислый газ. Для этой цели не только выделяются или конструируются методами генетической инженерии соответствующие микроорганизмы, но и предлагаются новые биотехнологические решения. Так, шведские ученые решили еще при производстве пластмасс вводить в них находящиеся в состоянии анабиоза микроорганизмы, которые затем через определенное время или в зависимости от изменившихся окружающих условий (температуры, влажности, кислотности) активизируются и, интенсивно развиваясь, разрушают пластмассу, которая служила им временным убежищем. Уже сейчас в Европе используют пластиковые пакеты, на каждом из которых есть подпись: Се sac est 100 % oxo-biodégradable. SA durée de vie est limitée dans le temps. Après dégradation, il devient bio-assimilable. (Этот пакет полностью биодеградабельный. Длительность его жизни ограничена во времени. После разрушения он ассимилируется.)
Замена существующих технологий на биотехнологические предполагает максимально приблизить эти процессы по уровню безотходности к биологическим, где «отходом» являются углекислый газ и вода.
Биотехнология — это не только новые способы производства, но и качественно новые возможности обеспечения предприятий необходимыми средствами контроля. Например, аналитические возможности ферментативных датчиков таковы, что не требуется практически никакой подготовки анализируемого образца. Высочайшая избирательность позволяет проводить количественный анализ почти мгновенно, что дает возможность осуществлять действительно оперативный контроль и управление технологическими процессами. Устройство для анализа — так называемый «биосенсор», или ферментативный электрод, представляет собой интегральную схему с нанесенной пленкой, содержащей определенный фермент, при взаимодействии которого с исследуемой жидкостью изменяются электрические характеристики схемы, которые могут быть выведены на индикаторный прибор или непосредственно использованы в качестве управляющего сигнала.
Естественно, что оперативное получение информации о характере течения технологического процесса способствует повышению эффективности и является одной из отличительных черт биотехнологии.
Однако было бы неправильно думать, что новые технологии базируются в основном на использовании биохимической активности микроорганизмов. Не менее важным в создании новых технологий может оказаться использование биологических мембран, роль которых в жизнедеятельности живых организмов и микроорганизмов трудно переоценить. Если бы удалось создать и использовать в технологии методы разделения веществ с использованием биологических мембран или их аналогов, то это позволило бы в значительной степени обновить и существенно интенсифицировать способы разделения веществ, снизив при этом энергетические затраты на проведение этих процессов.
Более того, если бы удалось решить вопросы управления проницаемостью таких мембран (что и происходит в живой клетке), то на базе полупроницаемых мембран можно было бы создавать системы, аналогичные гибким технологическим системам в промышленности. Пока методов работы с биомембранами не разработано, ведь сначала должны быть предложены способы их выделения из нативных клеток, а также стабилизации. Исследования пленочного роста микроорганизмов позволили обнаружить не только удивительные механические свойства этих пленок (об этом упоминалось в главе 5), но и особенности контактов микроорганизмов друг с другом. Это позволило ученым из Массачусетского технологического университета увеличить мощность топливных элементов в несколько раз. При этом пленка функционировала как единая токопроводящая система, объединяющая индивидуальные потоки электронов, производимые отдельными клетками.
Однако уже работают мембраны — аналоги живых мембран. Можно ли отнести эти технологии к биотехнологии? И да и нет. Но в конце концов неважно, как мы назовем эти новейшие технологии разделения, — главное, что они используют принципы, близкие к биологическим, и на основании этого (хотя и условно) могут быть отнесены к биотехнологическим процессам.
Помимо возможного использования биомембран реальный интерес представляет применение внутриклеточных органелл микробной клетки, в частности, магнитосом. По сути они представляют собой маленькие магнитики, образующиеся внутри бактериальной клетки. В последнее время возникла потребность в магнитоуправляемых частицах для использования в диагностике и при лечении некоторых заболеваний.
Так, присоединение к антителам магнитных частиц вместо молекул флуоресцентных красителей примерно в 100 (!) раз повышает чувствительность методов выявления специфических белков, используемых для диагностики.