Budeme jezdit na vodíkové bakterie?

Vodík může být vyráběn mnoha způsoby z různých primárních zdrojů. Ročně se ho vyprodukuje cca 55 tun. V globálním měřítku se cca 48% H₂ vyrábí z fosilních paliv a 48% ze zemního plynu. Zbytek připadá na H₂ produkovaný při elektrolýze vody. Obě současné dominantní metody mají však jednu společnou nevýhodu, jako vedlejší produkt výroby uvolňují velké množství CO₂. Například u produkce ze zemního plynu se na 1kg H₂ vyprodukuje 7kg CO₂. Proto se již několik desetiletí hledá alternativní, levná a ekologicky šetrná metoda.

Mohly by bakterie produkující H₂ být konečně tím správným klíčem k problému?

Produkce H₂ u mikroorganismů není ničím výjimečným, její biochemická podstata je známa již několik desetiletí. Vodík vzniká při fermentačních procesech, ať už se jedná o klasickou fermentaci, kdy H₂ vzniká jako vedlejší produkt při anaerobní přeměně organických substrátů (glukóza, mastné kyseliny, atd.) nebo při tzv. fotofermentaci, kdy je pro spuštění produkce H₂ zapotřebí slunečního záření. Oproti technickým metodám má výroba H₂ pomocí fermentujících mikroorganismů výhodu levného provozu, nevýhodou je však nízký výtěžek H₂, který se pohybuje mezi 10-20%. Fermentační procesy musejí navíc běžet za striktně anaerobních podmínek bez přístupu kyslíku, což dále ztěžuje a prodražuje velkoobjemovou produkci H₂.

Existuje tedy nějaká naděje na nalezení levné a ekologicky šetrné metody? Pojďme se společně ponořit do nekonečných vod oceánu, kde možná nalezneme odpověď. Ve světovém oceánu žije zhruba 1,4 kvadrilionu (10²⁴) velice produktivních mikroorganismů, kteří zajišťují fungování koloběhu všech důležitých prvků na Zemi. Z jednoho takového nenápadného mikroba se vyklubal poměrně zdatný producent H₂. Zároveň je tento mikroorganismus schopný vázat oxid uhličitý (CO₂) a dusík (N₂), což ho činí ideálním kandidátem na levného a ekologicky šetrného producenta H₂. Bude to tedy konečně on, kdo nám poskytne efektivní a levný H₂ pro pohon automobilů budoucnosti?

 Jak už možná někteří z vás vytušili, jedná se o fototrofní bakterii patřící mezi sinice. Byla objevena v roce 1993 a dostala název Cyanothece 51142. „Nespornou výhodou této šikovné sinice je fakt, že oproti fermentujícím bakteriím nepotřebuje zdroj uhlíku, dokáže ho sama fixovat z CO₂ a produkuje H₂ i za aerobních podmínek“, říká autor studie Dr. Himadri Parkasi z Washingtonské Univerzity v St Louis. Tým Dr. Parkase publikoval své výsledky v renomovaném časopise NATURE a dále dodává:  „Obecně platí, že tyto sinice prodělávají pravidelné denní a noční cykly. Při denním cyklu fixují  CO₂ a vytvářejí zásobní gykogen, který v nočním cyklu využijívají jako zdroj energie a uhlíku pro fixaci N₂. Právě při tomto kroku se jako vedlejší produkt tvoří H₂. Enzymatický systém fixace N₂ je však velmi citlivý na přítomnost kyslíku“.

Tým Dr. Parkasiho objevil u sinice Cyanothece 51142 jedinečnou schopnost a to, že dokáže fixovat N₂ a tudíž produkovat H₂ i za aerobních podmínek. Při laboratorním pokusu byla sinice kultivována při umělém osvětlení po dobu 48h. Sinice nejen že se dokázala přizpůsobit novým podmínkám, ale zefektivnila svůj metabolismus a začala produkovat více H₂. Během 48h byla schopna vyprodukovat v bioreaktoru o objemu 25ml téměř 23ml H₂! Dr. Parkasi je optimistický i v ohledu zvýšení objemu bioreaktoru a dodává: „Pokud dokážeme sinici kultivovat v 1L bioreaktorech, dokážeme během 48h vyprodukovat více než 0.9L H₂. V současné době již úspěšně testujeme 200 ml bioreaktory“.

Objev Dr. Parkase vyvolal diskuse mezi vědeckými týmy zabývajícími se touto problematikou. „Je to zatím nejefektivnější přirozená produkce H₂, která byla kdy naměřena“, říká Dr. Oliver Lenz z Humboltovy Univerzity v Berlíně, jehož tým vyvíjí uměle vytvořený enzymový systém produkující H₂. Ten má v porovnání s Cyanothece 51142 20x vyšší účinnost, ale také své nevýhody. „Nevíme například, jak se tento umělý systém bude chovat v přirozených podmínkách, což je velká nevýhoda oproti objevu týmu Dr. Parkasiho. Upřímně, nikdy bych nečekal tak vysokou produkci u volně žijící bakterie“, dodává Dr. Lenz. Umělé enzymové systémy Dr. Lenze mají další nevýhodu v poměrně krátké životnosti. To u Cyanothece 51142 nehrozí, jelikož bakterie dokáže enzymy účinně opravovat a nově syntetizovat, aby proces mohl běžet co nejdéle. „Uměle vytvořeným systémům brzy dojde tzv. „pára“, což u naší šikovné bakterie nehrozí. Sice produkuje H₂ s menší rychlostí, ale je vytrvalá a hned tak se nevyčerpá“, říká Dr. Parkasi a další zlepšení vidí v možnosti geneticky upravených druhů. „V současné době testujeme 10 různých, geneticky modifikovaných druhů Cyanothece a dosahujeme očekávaně vyšší produkce než u původního druhu 51142.“  

Další organismy, jako jsou řasy druhu Chlamydomonas reinhardtii, také dokáží produkovat H₂. Ovšem potřebují k tomu striktně anaerobní prostředí bez přístupu kyslíku. Olaf Kruse z Bielefeld Univerzity v Německu, který tyto řasy studuje, věří, že pokud se týmu Dr. Parkasiho povede kultivovat sinici ve větším objemu, Cyanothece 51142 budou vážným adeptem na levného a ekologicky šetrného producenta H₂. Nezbývá než jim držet palce.

Autor: RNDr. Jiří Bárta, PhD.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Bandyopadhyay, A., Stöckel, J., Min, H., Sherman, L. A. & Pakrasi, H. B.: Hydrogen production comes naturally to ocean microbe. Nature Commun. doi:10.1039/ncomms1139 (2010).