Μελέτη της παραγωγής Η2 από κυανοβακτήρια
Authors: Μπρούσος Παναγιώτης-Ηλίας 
Published: August 2024

Το υδρογόνο (H) είναι το πιο κοινό χημικό στοιχείο στο σύμπαν, ωστόσο στην αέρια κατάσταση (H₂) υπάρχει σε ελάχιστες ποσότητες στη γήινη ατμόσφαιρα. Το H₂ αποτελεί ένα άχρωμο, άοσμο και μη τοξικό καύσιμο, η καθαρή καύση του οποίου παράγει μόνο νερό (H₂Ο). Ήδη από τα τέλη του 20ού αιώνα, η μετάβαση σε μία οικονομία βασισμένη στο υδρογόνο προτείνεται ως λύση απέναντι στις περιβαλλοντικές και ενεργειακές προκλήσεις που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για τη βιολογική παραγωγή H₂ αποτελεί μια ιδιαίτερα υποσχόμενη οδό σε αυτή την κατεύθυνση.Τα κυανοβακτήρια είναι οι πρώτοι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί που υιοθέτησαν την οξυγονική φωτοσύνθεση, γνωστοί για την ανθεκτικότητά τους σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες και ευρέως χρησιμοποιούμενοι σε βιοτεχνολογικές εφαρμογές, ακόμη και ως «κύτταρα-εργοστάσια» για την παραγωγή H₂. Ένα μονοκύτταρο κυανοβακτήριο του γλυκού νερού, το Synechococcus elongatus PCC7942 (στέλεχος PAMCOD), έχει αποδειχθεί ικανό να παράγει H₂ μέσω μιας διαδικασίας δύο σταδίων. Σε πρώτο στάδιο, το PAMCOD συσσωρεύει ως φωτοσυνθετικό προϊόν σακχαρόζη υπό καταπόνηση αλατότητας, και σε δεύτερο στάδιο, μέσω της αναερόβιας ζύμωσης της σακχαρόζης παράγει H₂ στο σκοτάδι (Vayenos et al., 2020). Στο στέλεχος αυτό η σακχαρόζη αποτελεί τον κύριο συμβατό ωσμωλύτη σε καταπόνηση αλατότητας . Κατά τη σκοτεινή αναερόβια ζύμωση, η συσσωρευμένη σακχαρόζη υδρολύεται από την ενδογενή ιμβερτάση και χρησιμοποιείται ως πηγή άνθρακα για την παραγωγή H₂ σε μια αμφίδρομη αντίδραση που καταλύει η [NiFe]-υδρογενάση. Ο χρονικός διαχωρισμός της παραγωγής σακχαρόζης με απελευθέρωση Ο₂ στο φως και της παραγωγής H₂ στο σκοτάδι, διασφαλίζει τις ανοξικές συνθήκες που απαιτούνται για την δραστηριότητα της υδρογενάσης.Για τη βελτίωση της παραγωγής H₂ μέσω της διαδικασίας που προαναφέρθηκε, αρχικά προκαλέσαμε την αύξηση της συσσώρευσής της ως ωσμωλύτη στα κύτταρα PAMCOD. Ο συνδυασμός καταπόνησης υψηλής θερμοκρασίας (35°C) και αλατότητας (0.4 Μ NaCl) προκάλεσε αύξηση της συγκέντρωσης της σακχαρόζης (κατά 50%). Στη συνέχεια, προσδιορίστηκε το βέλτιστο pH για τη δραστικότητα των ενζύμων στη σκοτεινή ζύμωση. Η πλήρης διάσπαση της σακχαρόζης από την ιμβερτάση του PAMCOD επιτεύχθηκε σε pH 7.5, και η παραγωγή H₂ αυξήθηκε από 2 nmol H₂ ·mg Chlα-1 ·h-1 (Vayenos et al., 2020) σε 23 nmol H₂ ·mg Chlα-1 ·h-1.Το Synechocystis sp. PCC6714, ένα άλλο μονοκύτταρο κυανοβακτήριο του γλυκού νερού, μελετήθηκε και αυτό ως προς την ικανότητά του να συσσωρεύει σακχαρόζη κατά τη φωτοσύνθεση για να ανταπεξέλθει στην αλατότητα και τις υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, είναι γνωστό πως διαθέτει τα απαραίτητα ένζυμα (μια αλκαλική/ουδέτερη ιμβερτάση και μια αμφίδρομη [NiFe]-υδρογενάση), για την παραγωγή H₂ μέσω της σκοτεινής ζύμωσης. Η βελτιωμένη μέθοδος παραγωγής H₂ από το PAMCOD, εφαρμόστηκε και στο στέλεχος Synechocystis sp. PCC6714, με παραπλήσια αποτελέσματα. Με το συνδυασμό των καταπονήσεων αλατότητας (0.4 Μ NaCl) και υψηλής θερμοκρασίας (35°C) στο Synechocystis sp. PCC6714 παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση στη συγκέντρωση της ενδοκυτταρικής σακχαρόζης (κατά 108%). Κατά τη διάρκεια της σκοτεινής αναερόβια ζύμωσης, η πλήρης διάσπαση της σακχαρόζης από την ιμβερτάση του Synechocystis sp. PCC6714 επιτεύχθηκε σε pH 8, αποδίδοντας 22 nmol H₂ ·mg Chlα-1 ·h-1.Παρότι τα κυανοβακτήρια έχουν την ικανότητα να συσσωρεύουν σημαντικές ποσότητες σακχαρόζης, ο βασικός αποθηκευτικός τους υδατάνθρακας είναι το γλυκογόνο. Γι’ αυτό το λόγο, το ενδοκυτταρικό γλυκογόνο χρησιμοποιήθηκε μαζί με τη σακχαρόζη ως υπόστρωμα για την παραγωγή H₂ κατά τη σκοτεινή ζύμωση του PAMCOD. Η αποδόμηση του γλυκογόνου στα κύτταρα, πραγματοποιήθηκε απουσία αζώτου από το θρεπτικό μέσο της ζύμωσης. Η διάσπαση του ενδοκυτταρικού γλυκογόνου ενίσχυσε σημαντικά την παραγωγή H₂ από το PAMCOD (6.55 μmol H₂ h-1·mg Chlα-1), διατηρώντας παράλληλα τη δομική ακεραιότητα της φωτοσυνθετικής συσκευής. Η προσέγγιση αυτή παρουσίασε 10.000 φορές μεγαλύτερη απόδοση σε σύγκριση με τη μέθοδο των Vayenos et al. (2020), καθιστώντας το στέλεχος PAMCOD έναν από τους πιο ικανούς οργανισμούς για την παραγωγή H₂.Η βιωσιμότητα των δύο μεθόδων που εφαρμόστηκαν και στα δύο στελέχη, επιβεβαιώθηκε με την επιτυχή αναγέννηση της κυανοβακτηριακής βιομάζας μετά τις σκοτεινές ζυμώσεις σε θρεπτικά μέσα ανάπτυξης εμπλουτισμένα με νιτρικά άλατα. Τα στελέχη PAMCOD και Synechocystis sp. PCC6714, μέσω της φωτοσυνθετικής δέσμευσης ατμοσφαιρικού CO₂, μπορούν να χρησιμοποιηθούν εκτός των περιορισμένων πηγών γλυκού νερού ως ανανεώσιμες πηγές H₂, με ελάχιστες ανάγκες καλλιέργειας (θρεπτικά συστατικά, ένταση φωτισμού και ανανέωση).