54321765321413463

В последние годы человечест­во столкнулось с дефицитом энергоресурсов. Грядущее ис­тощение запасов нефти и газа побуждает ученых искать но­вые, желательно возобновляе­мые источники энергии, к числу которых принадлежат растения. Знакомя читателей со сложными превращениями веществ в ходе фотосинтеза, автор рисковал утомить их. Однако это необходимо было сделать для того, чтобы стали понятными вопросы, к рас­смотрению которых мы при­ступаем.
Чрезвычайно заманчивые перспективы открывает ис­пользование в качестве энер­гоносителя водорода. В чем его преимущество перед дру­гими источниками энергии, например бензином, каменным углем?
Водород — источник эколо­гически чистой энергии. При его сжигании образуется только вода:
2Н2 + 02 2Н20.
Никаких канцерогенов — веществ, вызывающих рако­вые заболевания, или золы.
В то же время по калорий­ности водород не уступает высококачественному бензину.
К сожалению, на земном шаре запасы свободного водо­рода практически отсутству­ют. Каким же образом можно получить его для технических надобностей? В настоящее время водород получают в результате электролиза воды. Однако такой путь производ­ства топлива экономически не­выгоден. Ведь для электроли­за требуется большое количе­ство электрической энергии. По этой причине в промыш­ленных масштабах водород добывают в основном из при­родного газа, себестоимость такого водорода приблизи­тельно в 2,5—3,0 раза ниже, чем полученного в результате электролиза воды. За год в мире добывают его более 30 миллионов тонн. Однако в связи с истощением запасов природного газа вряд ли целе­сообразно ориентировать энергетику на водород, произ­водимый этим путем.
В хлоропластах растений, так же как и при электро­лизе, происходит расщепление молекул воды, но для этого используется солнечная энер­гия. Образующийся в резуль­тате фотолиза воды водород, как мы уже видели, присоеди­няется к НАДФ и исполь­зуется затем в реакциях фото- синтетического восстановле­ния углекислого газа до саха­ров, а именно для превраще­ния фосфоглицериновой кис­лоты в фосфоглицериновый альдегид. Для того чтобы хло- ропласты начали продуциро­вать свободный водород, не­обходимо присутствие особого фермента — гидрогеназы.
Около полувека назад было доказано, что некоторые бак­терии, осуществляющие син­тез органических веществ из неорганических при помощи энергии света (фототрофные бактерии), могут выделять молекулярный водород. К чис­лу таких микроорганизмов относятся пурпурные бактерии и некоторые цианобактерии (синезеленые водоросли). В связи с тем что процесс выде­ления газа этими бактериями зависит от света, его назвали фотовыделением водорода.




Выяснилось, что названные микроорганизмы как раз и содержат фермент гидрогена- зу, добавление которой к сус­пензии хлоропластов, выде­ленных из листьев растений, делает их способными на све­ту продуцировать водород.
Еще в 1961 году в лабо­ратории известного специа­листа в области фотосинтеза Д. Арнона было показано, что хлоропласты шпината, про­гретые в течение пяти минут при температуре 50 °С, начи­нают выделять водород при добавлении некоторых ве­ществ и бактериальной гидро­геназы. К сожалению, этот процесс лимитируется как ог­раниченностью срока «служ­бы» хлоропластов, так и инак- тивированием гидрогеназы кислородом, выделяемым в хо­де фотосинтеза. Поэтому уче­ные задались целью отыскать среди множества микроорга­низмов такую форму фермен­та, которая была бы устой­чива к действию внешних факторов.
И такой микроорганизм был найден. Им оказалась пурпурная серобактерия тио- капса (Thiocapsa roseopersici- па). Из нее была выделена гидрогеназа, обладающая значительной стабильностью в присутствии кислорода и при воздействии высоких темпера­тур. В результате использо­вания гидрогеназы из тиокап- сы и железосодержащего бел­ка ферредоксина хлоропласты шпината, табака, гороха и кукурузы образовывали водо­род с постоянной скоростью в течение трех — шести часов. Этот процесс происходит толь­ко на свету, а также при на­личии системы, поглощающей кислород.
В некоторых случаях для повышения эффективности ра­боты хлоропластов их иммоби­лизуют (обездвиживают) на студнеобразном веществе — альгинате кальция. Под дей­ствием света в такой системе можно получать и водород, и кислород. Однако долговеч­ность ее и достигаемый макси­мальный выход газов пока не­достаточны для производст­венного использования.
Ученые настойчиво ищут другие пути получения водо­рода с помощью растений. Не так давно было обнаруже­но, что некоторые морские и пресноводные водоросли вы­деляют на свету водород. В Московском государствен­ном университете им. М. В. Ло­моносова разработана систе­ма, способная на свету вы­рабатывать кислород и водо­род. Она включает в себя микроскопические водоросли и термостойкие цианобакте­рии, продуцирующие гидро- геназу.
Предположим, что в резуль­тате какого-то биотехнологи­ческого процесса мы, наконец, получим значительные коли­чества водорода. Каким же образом его можно использо­вать в двигателях внутренне­го сгорания? Ученые предло­жили связывать этот газ хими­ческим путем с металлами. В отличие от чистого водоро­да гидриды металлов не взры­воопасны. Кроме того, хране­ние газа становится надеж­нее.
Что касается попыток со­здания двигателей, работаю­щих на водородном топливе, то впервые они предпринима­лись еще в прошлом веке. В настоящее время в ряде развитых стран, в том числе и в России, созданы автомоби­ли, в которых возможно ис­пользование смеси бензина с водородом. Мощность двига­теля и дальность пробега автомашин остались прежни­ми, а вот выброс в атмосферу токсических веществ резко сократился. Ведь добавка да­же пяти процентов водорода к обычному горючему активизи­рует процесс сгорания бензи­на и тем самым резко сни­жает содержание вредных ве­ществ в выхлопных газах. К тому же расход бензина уменьшается на 40 процентов.
Внешне испытуемые авто­машины мало чем отличались от обычных. Специальный ак­кумулятор водорода помещен в багажнике. Принцип его действия несложен: металли­ческий порошок, нагреваемый отработанными газами, проду­цирует водород, который сме­шивается с бензином и по­дается в двигатель. На перед­нем щитке появилась дополни­тельная панель, где размеще­ны приборы, контролирующие работу аккумулятора.
Однако запасы водорода не позволяют пока перейти к массовому производству авто­машин, работающих на новом топливе. Возможно, успехи в области физиологии растений будут способствовать решению этой проблемы.
Некоторые растения в ходе фотосинтеза образуют горю­чие жидкости, по своим свой­ствам напоминающие нефть. Нельзя ли их использовать для получения топлива? Ситуа­ция напоминает ту, которая сложилась в конце 20-х годов в области производства кау­чука. Тогда нужды промыш­ленного развития требовали найти такие каучуконосы, ко­торые могли бы успешно рас­ти в умеренных широтах. Они были найдены в природе. И если бы химики не создали технологию получения синте­тического полиизопренового каучука, мы, возможно, до сих пор культивировали бы кок- сагыз и тау-сагыз.
Растительный мир пред­ставляет собой огромный био­химический комбинат, кото­рый поражает масштабами и разнообразием биохимических синтезов. Есть среди его пред­ставителей и такие виды, ко­торые образуют горючие жид­кости.
В южной части острова Хайнань (КНР) учеными об­наружены замечательные де­ревья из семейства бобовых, принадлежащие к виду синдо- ра клабра. Эти деревья с пол­ным правом можно назвать «огненными», поскольку жид­кость, которую они выделяют, своей способностью воспламе­няться ни в чем не уступает нефти. По сообщению газеты «Джапан таймс», высота синдоры клабры превышает 30 метров, а огненную жидкость она начинает выделять, когда достигает 12—15 метров.
А вот другое сообщение, взятое из газет. Профессор Иджинио Дзанутто, препода­ватель сельскохозяйственного института в Брешии, вырастил в оранжерее «нефтяное дере­во». Внешне оно похоже на ель. «Нефтяное дерево», — утверждает профессор, — уро­женец полупустынь Заира и Танзании. Оно содержит ве­щество углеводородной приро­ды, которое по составу близко к нефти».
Свой вклад в поиски расте­ний с горючими соками внес исследователь фотосинтеза М. Кальвин. Путешествуя по Бразилии, он обратил внима­ние на свойство млечного сока одного из видов молочая. У всех молочаев на месте раз­рыва стебля появляется бе­лая, похожая на молоко жид­кость. Оказалось, что у бра­зильского молочая млечный сок представляет собой эмуль­сию углеводородов, которая может использоваться в ка­честве горючего.
По возвращении в США М. Кальвин развел на своем ранчо небольшую плантацию этого растения. С каждого акра он ежегодно получает в год около 10 баррелей горю­чего. Напомним, что один бар­рель равняется 159 литрам. Этот показатель урожайности в сопоставлении с современ­ными ценами на нефть пред­ставляется неплохим. А ведь путем селекции и совершен­ствования агротехники выра­щивания молочая можно на­верняка добиться еще более высокой продуктивности рас­тения.
Чрезвычайно интересные сведения были получены при химическом анализе едка мо­лочая. Оказалось, что углево­дороды, содержащиеся в нем, представляют собой смесь терпенов, которые в резуль­тате каталитического крекин­га1 превращаются в продукты, идентичные полученным из самой ценной сырой нефти. Согласно проведенным под­счетам, уже сейчас «расти­тельная нефть» может успеш­но конкурировать с природ­ной.
В Японии предложили ис­пользовать в качестве горюче­го для автомобилей эвкалип­товое масло, содержащееся в особых мешочках, погружен­ных в ткань листа. На его долю приходится до пяти процентов массы листьев. В настоящее время эфирное масло эвкалиптов применяет­ся в парфюмерной промыш­ленности и в медицине. Ми­ровое производство его превы­шает тысячу тонн в год. Ра­зумеется, этого недостаточно для удовлетворения потреб­ностей автотранспорта. Уче­ные, однако, обращают вни­мание на одно весьма су­щественное преимущество этого вида топлива: в продук­тах его сгорания очень мало вредных веществ. Что же ка­сается его производства, то для этого необходимо увели­чить площадь эвкалиптовых насаждений. Эвкалипты, как известно, легко размножаются вегетативно, быстро растут и дают значительную биомассу. С помощью современных ме­тодов селекции ученые созда­ли особо быстрорастущие фор­мы, которые в течение года дают до пяти тонн сухой био­массы с гектара, что в десять раз превышает прирост обыч­ных эвкалиптов. Разумеется, селекционеров интересовала прежде всего древесина. Но ведь при ее заготовке листва также может быть использо­вана как источник получения эвкалиптового масла, причем в значительных количествах.
Если применение масла ги­гантов растительного мира в автотранспорте представляет­ся проблематичным, то упот­ребление для этих целей мас­ла кокосовой пальмы вполне реально, ведь Филиппины, Шри-Ланка, Индонезия, Ма­лайзия и некоторые другие страны производят и экспор­тируют огромное количество копры — высушенных ядер ко­косовых орехов. В ней со­держится 60—65 процентов одного из самых ценных рас­тительных масел, которое ис­пользуется в производстве маргарина и высших сортов мыла, а также в кулинарии. Отходы производства кокосо­вого масла дают моторное топливо, которое по техниче­ским характеристикам близко к дизельному. В настоящее время в Малайзии и Японии созданы установки для пере­работки пальмового масла в горючее. После обработки ме­танолом и катализатором тон- н’а кокосового масла-сырца дает тонну дизельного топли­ва. В малайской столице Куала-Лумпуре проведены первые испытания автомоби­лей, работающих на новом горючем. Прогон ста автома­шин на дистанции от 50 до 100 тысяч километров про­шел без осложнений. Испыта­тели утверждают, что на но­вом горючем двигатель рабо­тает четче и экономичнее. Переводу автомашин на новое топливо препятствует то, что нефть на мировом рынке стоит пока дешевле кокосового мас­ла. Однако запасы ее, как уже отмечалось, не беспредельны, тогда как кокосовое масло относится к возобновляемым источникам энергии.
В принципе в качестве ди­зельного топлива могут быть использованы многие расти­тельные масла, но низкая продуктивность масличных растений сдерживает их упот­ребление в этих целях. Ис­ключением является маслич­ная пальма, широко распрост­раненная в тропической Аф­рике. Она — поистине рекор­дист среди растений по произ­водству масла с единицы площади. Один гектар ее на­саждений дает от четырех до шести тонн масла. Однако селекционеры создали еще более продуктивные сорта это­го растения, продуцирующие 14—16 тонн масла с гектара!
Наибольшее количество мас­ла производится на Земле из соевых бобов. В 1985 году его было получено около 13,42 миллиона тонн. Австралия и Китай совместно разрабаты­вают дешевый малолитраж­ный автомобиль с дизельным двигателем, который будет ра­ботать на горючем, изготов­ленном из таких культур, как соя и арахис.
Таким образом, продуктам фотосинтеза в настоящее вре­мя придается чрезвычайно большое значение в решении энергетической проблемы.

Print Friendly

Это интересно: