Kelemen Imola (szerk.): A Csíki Székely Múzeum Évkönyve 6. (Csíkszereda, 2010)
Természettudományok - Molnos Éva–Ábrahám Beáta–Mészáros Sándor–Muntean Ovidiu–Lányi Szabolcs: Hidrogén – a jövő energiája
MOLNOS ÉVA ET AL. körülményeket biztosítani a baktériumok számára, amelyek a versengő reakciók lejátszódását gátolják, illetve serkentik a hidrogenáz enzim működését. A különböző anaerob baktériumok nemcsak a glükózt, hanem a keményítőt, a cellulózt, a hemicellulózt és a pektint is képesek piroszőlősawá alakítani, tehát ezek a poliszacharidok is alapanyagai lehetnek a biohidrogén előállításának.20 A fermentációs eljárások nagy előnye tehát, hogy széles körben, szinte tetszőlegesen változtatható a szubsztrátként felhasznált nyersanyag.21 Ilyen értelemben, nyersanyag lehet például a mezőgazdasági vagy állattenyésztési hulladék, a magas szervesanyag-tartalmú szennyvíz stb., melyek korunk robbanásszerű technológiai és ipari fejlődésének következtében egyre nagyobb mértékben terhelik környezetünket.22 Ha ezeket a szubsztrátokat az anaerob vagy fakultatív anaerob baktériumokkal hidrogén-termelésre felhasználtatjuk, egyidejűleg megoldódhat e hulladékok kezelésének problémája is. A fermentativ hidrogén-termelés fő hiányossága, hogy a sejtek csak azt a kémiai energiát fordítják hidrogén-termelésre, amely számukra fölöslegként jelentkezik. Ezért a kutatók különféle, az anyagcsere-útvonalakat befolyásoló molekuláris biológiai módszerekkel próbálják rávezetni a mikroorganizmusokat a nagyobb mennyiségű hidrogén-termelésre, szem előtt tartva annak fontosságát is, hogy a beavatkozás mértéke ne veszélyeztesse a sejtek fennmaradását. Az anyagcsere-útvonalakat befolyásoló beavatkozások legtöbbjének célja a hidrogén-képződéssel versengő reakciók kizárása vagy a hidrogenáz enzimek aktivitásának serkentése. Kisebb-nagyobb sikerekről ugyan olvashatunk a szakirodalomban,2-5 de az igazi áttörés még ezen a téren is várat magára. Ahhoz, hogy ez a megközelítés számottevő eredményekhez vezethessen, mindenekelőtt a társadalomnak kell elfogadnia, hogy az emberek genetikailag módosított organizmusokkal kerülhetnek kapcsolatba. A különböző szerves anyagokat tartalmazó hulladékokból való hidrogén-előállítás egy következő lépcsőfoka a fermentáció során keletkező termékek további hidrogén-termelő folyamatokban való hasznosítása.24 Az anaerob baktériumok a nagyobb szerves molekulákat szerves savakra, hidrogénre és széndioxidra képesek bontani, azonban a keletkező szerves savak további oxidációja termodinamikai okokból kifolyólag nem valósulhat meg.25 Egyes fotoszintetikus baktériumok (pl. Rhodobacter spheroides, Rhodopseudomonas palustris, Thiocapsa roseopersicind) viszont képesek az így keletkezett szerves savakat is hasznosítani azáltal, hogy rendelkeznek a fényenergia megkötésének képességével, ezzel biztosítva az oxidációhoz szükséges energiát. A fényenergia megkötése a baktériumok membránjában található, specifikus pigment-molekulák révén valósul meg, amely az úgynevezett bakteriális fotoszintézis során alakul használható kémiai energiává. A szerves savak további bomlása hidrogénre és széndioxidra fotoszintetikus baktériumok által tehát csak fény jelenlétében valósul meg, ezért a szakirodalom a folyamatot fotofermentációnak nevezi, ezzel különböztetve meg az előbb ismertetett folyamattól, amely fény hiányában is lezajlik (sötétfermentáció). A hidrogén képződése fotofermentáció során is a baktériumokban jelen lévő hidrogenáz vagy nitrogenáz enzimek révén valósul meg. A folyamat előnyösebb az algák felhasználásával történő közvetlen fotolízisnél, mivel az itt alkalmazott fotoszintetikus baktériumokból hiányzik az a fotoszintetikus rendszer (PSII), amely az oxigén felszabadítását végezné,26 így könnyen kiküszöbölhető a hidrogenáz és nitrogenáz enzimek oxigén-érzékenységéből adódó inhibíció. Ráadásul ezeknek a fototróf baktériumoknak a bakteriális fotoszintézishez szerves (pl. zsírsavak, alkoholok) vagy szervetlen (pl. redukált kénvegyületek) elektron-forrásokra van szükségük, így a felhasználható anyagok körébe a sötétfermentáció termékei is beleférnek. A megfelelő szubsztrát-átalakítási hatásfok elérése érdekében, a folyamathoz kiválasztott fotoszintetikus baktérium ásványi-anyag igényét célszerű kielégíteni, biztosítva a növekedéséhez szükséges hőmérsékletet, az anaerob körülményeket és a megfelelő spektrumú fényenergiát.27 A 20 DAVILA-VAZQUEZ ET AL. 2008, 27-45. 21 KRAEMER, BAGLEY 2007, 685-695. 22 DAVILA-VAZQUEZ ET AL. 2008, 27-45; KERÉNYI 1995. 23 DAVILA-VAZQUEZ ET AL. 2008, 27-45; KALIA, PUROHIT 2008, 403-419; HALLENBECK 2009, 7379-7389. 24 DAS ET AL. 2008, 57-67; HALLENBECK 2009, 7379-7389. 25 DAVILA-VAZQUEZ ET AL. 2009, 4296-4304. 26 MATHEWS, WANG 2009, 7404-7416. 27 SASIKALA ET AL. 1993, 211-295. 510
