Կենսաջրածին

մինի|Մանրէային ջրածնի արտադրություն
**Կենսաջրածին,** H<sub>2</sub>, որն արտադրվում է կենսաբանորեն։  Այս տեխնոլոգիայի նկատմամբ հետաքրքրությունը մեծ է, քանի որ H<sub>2</sub>-ը մաքուր վառելիք է և կարող է հեշտությամբ արտադրվել որոշակի տեսակի կենսազանգվածից,  ներառյալ կենսաբանական թափոնները։  Ավելին, որոշ ֆոտոսինթետիկ միկրոօրգանիզմներ ունակ են H<sub>2</sub> արտադրել անմիջապես ջրի քայքայման միջոցով՝ օգտագործելով լույսը որպես էներգիայի աղբյուր։

Բացի կենսաբանական ջրածնի արտադրության խոստումնալից հնարավորություններից, այս տեխնոլոգիան բնութագրվում է բազմաթիվ մարտահրավերներով։ Առաջին մարտահրավերներից են H<sub>2</sub>-ին բնորոշ խնդիրները, ինչպիսիք են պայթուցիկ, չխտացվող գազի պահպանումը և տեղափոխումը։ Բացի այդ, ջրածին արտադրող օրգանիզմները թունավորվում են O2-ով և H<sub>2</sub>-ի արտադրությունը հաճախ ցածր է։

## Կենսաքիմիական սկզբունքներ
Ջրածնի առաջացմանը նպաստող հիմնական ռեակցիաները ներառում են սուբստրատների օքսիդացում՝ էլեկտրոններ ստանալու համար։ Այնուհետև այս էլեկտրոնները փոխանցվում են ազատ պրոտոններին՝ առաջացնլով մոլեկուլային ջրածին։ Այս պրոտոնների վերականգնման ռեակցիան սովորաբար իրականացվում է հիդրոգենազ ընտանիքի ֆերմենտներով։

Հետերոտրոֆ օրգանիզմներում էլեկտրոններ են առաջանում շաքարների խմորման ընթացքում: Ջրածին գազը արտադրվում է խմորման բազմաթիվ տեսակների ժամանակ՝ NADH- ից NAD + վերականգնելու համար:  Էլեկտրոնները փոխանցվում են ֆերեդոքսինին կամ կարող են անմիջապես ընդունվել NADH-ից հիդրոգենազի միջոցով՝ առաջացնելով H<sub>2</sub>: Դրա պատճառով ռեակցիաների մեծ մասը սկսվում է գլյուկոզով, որը վերածվում է քացախաթթվի:

C6H12O6 + 2 H2O -> 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2

Առնչվող ռեակցիան ածխաթթու գազի փոխարեն տալիս է ֆորմատ․ 

C6H12O6 + 2 H2O -> 2 CH3COOH + 2 HCOOH + 2 H2։

Այս ռեակցիաներն էկզերգոնիկ են համապատասխանաբար 216 և 209 կկալ/մոլ:

Հաշվարկվել է, որ բոլոր օրգանիզմների 99%-ն օգտագործում կամ արտադրում է դիհիդրոգեն (H<sub>2</sub>): Այս տեսակների մեծ մասը մանրէներ են, և նրանց՝ որպես մետաբոլիտ H<sub>2</sub> օգտագործելու կամ արտադրելու ունակությունը բխում է հիդրոգենազներ կոչվող H<sub>2</sub> մետաղաֆերմենտների արտահայտումից:  Այս լայնորեն բազմազան ընտանիքի ֆերմենտները սովորաբար ենթադասակարգվում են երեք տարբեր տեսակի՝ հիմնվելով ակտիվ կենտրոնի մետաղի պարունակության վրա՝ [FeFe]-հիդրոգենազներ (երկաթ-երկաթ), [NiFe]-հիդրոգենազներ (նիկել-երկաթ) հիդրոգենազներ և [Fe]-հիդրոգենազներ (միայն երկաթ):  Շատ օրգանիզմներ արտահայտում են այս ֆերմենտները: Նշանակալի օրինակներից են կլոստրիդիա, դեսուլֆովիբրիո, ռալստոնիա սեռերի անդամները կամ հելիկոբակտեր պաթոգենը, որոնք հիմնականում խիստ անաէրոբներ կամ ֆակուլտատիվ միկրոօրգանիզմներ են: Այլ միկրոօրգանիզմներ, ինչպիսիք են միկրոջրիմուռները՝ միկոսկոպիկ կանաչ ջրիմուռները, նույնպես արտահայտում են բարձր ակտիվ հիդրոգենազներ, ինչպես դա տեղի է ունենում քլամիդիոմոնադ  սեռի անդամների դեպքում:

[կենտրոն|մինի|622x622փքս|Երեք տեսակի հիդրոգենազային [Ֆերմենտ|ֆերմենտների ակտիվ կենտրոնի կառուցվածքները]]

Հիդրոգենազային ֆերմենտների ծայրահեղ բազմազանության պատճառով, շարունակական ջանքերը կենտրոնացած են բարելավված հատկանիշներով նոր ֆերմենտների սկրինինգի վրա, ինչպես նաև արդեն բնութագրված հիդրոգենազների ինժեներական մշակման վրա՝ դրանց ավելի ցանկալի հատկանիշներ հաղորդելու համար:

## Արտադրություն ջրիմուռների միջոցով
Ջրիմուռների միջոցով **կենսաբանական ջրածնի արտադրությունը** ջրի ֆոտոկենսաբանական ճեղքման մեթոդ է, որն իրականացվում է փակ ֆոտոկենսառեակտորում՝ հիմնված ջրիմուռների կողմից որպես արևային վառելիք ջրածնի արտադրության վրա։ Ջրիմուռները որոշակի պայմաններում արտադրում են ջրածին: 2000 թվականին պարզվել է, որ եթե ռեյնհարդտի քլամիդիոմոնադ  (*C. reinhardtii)* կոչվող միաբջիջ կանաչ ջրիմուռները զրկվեն ծծմբից, նրանք կանցնեն թթվածնի արտադրությունից (ինչպես սովորական ֆոտոսինթեզի դեպքում) ջրածնի արտադրությանը։

Կանաչ ջրիմուռներն արտահայտում են [FeFe] հիդրոգենազներ, որոնցից մի քանիսը համարվում են ավելի արդյունավետ հիդրոգենազներ՝ 104 վրկ−1-ից բարձր շրջանառության արագությամբ։ Այս ուշագրավ կատալիտիկ արդյունավետությունը, այնուամենայնիվ, ստվերվում է թթվածնի նկատմամբ ծայրահեղ զգայունությամբ, որն անշրջելիորեն ինակտիվանում է O2-ով: Երբ բջիջները զրկվում են ծծմբից, թթվածնի արտազատումը դադարում է *ֆոտոհամակարգ II* էլեկտրոնափոխադրիչ շղթայի լուսավնասման պատճառով, այս վիճակում բջիջները սկսում են սպառել O2 և ապահովում են իդեալական անաէրոբ միջավայր բնական [FeFe] հիդրոգենազներով H2 առաջացումը կատալիզացնելու համար։

### Ֆոտոսինթեզ
[մինի|[Քլորելա ջրիմուռների բջիջների վրա հիմնված կենսառեակտորներ, որոնք կարող են արտադրել ջրածին]]
մինի|Սխեմատիկ նկարազարդում, որը ցույց է տալիս բազմաբջջային կաթիլային կենդանի միկրոռեակտորների հավաքումը, տարածական կազմակերպումը և երկակի ֆունկցիոնալությունը
Ցիանոբակտերիաների և կանաչ ջրիմուռների ֆոտոսինթեզը ջուրը ճեղքում է ջրածնի իոնների և էլեկտրոնների։ Էլեկտրոնները տեղափոխվում են ֆեռեդօքսինների միջոցով։  Fe-Fe-հիդրոգենազները (ֆերմենտներ) միավորում են դրանք՝ առաջացնելով ջրածնային գազ։ *Chlamydomonas reinhardtii-* ի մոտ *ֆոտոհամակարգ II* էլեկտրոնափոխադրիչ շղթան արևի լույսի անմիջական փոխակերպմամբ առաջացնում է էլեկտրոնների 80%-ը, որոնք վերջնական արդյունքում վերածվում են ջրածնային գազի։ 

2020 թվականին գիտնականները հայտնել են բազմաբջիջ գնդաձև միկրոբային ռեակտորների համար ջրիմուռների բջիջների վրա հիմնված միկրոէմուլսիայի մշակման մասին, որոնք ունակ են ցերեկային լույսի ներքո օդում ֆոտոսինթեզի միջոցով ջրածնային էներգիա արտադրել թթվածնի կամ CO2-ի հետ միասին: Ցույց է տրվել, որ միկրոռեակտորները սիներգետիկ մանրէներով շրջապատելը մեծացնում է ջրածնի արտադրության մակարդակը՝ O2 կոնցենտրացիաների նվազեցման միջոցով։

### Արտադրողականության բարելավում՝ լույսի հավաքման ալեհավաքների նվազեցման միջոցով
Կանաչ ջրիմուռների քլորոֆիլի (Chl) լուսահավաք համակարգի (անտենայի) չափը նվազագույնի է հասցվում կամ կտրվում է՝ արևային էներգիայով ֆոտոկենսաբանական փոխակերպման արդյունավետությունը և H2 արտադրությունը մեծացնելու համար: Ցույց է տրվել, որ LHCBM9 սպիտակուցը, որը մասնակցում է լուսահավաքման ֆոտոհամակարգ II համալիրի լույսի հավաքմանը, նպաստում է լույսի էներգիայի արդյունավետ ցրմանը:  Քլորոֆիլի կտրված անտենայի չափը նվազագույնի է հասցնում առանձին բջիջների կողմից արևի լույսի կլանումը և անօգուտ ցրումը, ինչը հանգեցնում է լույսի ավելի լավ օգտագործման արդյունավետության և ֆոտոսինթեզի ավելի մեծ արդյունավետության, երբ կանաչ ջրիմուռները աճեցվում են կենսառեակտորներում՝ որպես զանգվածային մշակույթ: 

### Շահավետություն
Ջրիմուռների վրա հիմնված կենսաջրածնի վերաբերյալ ներկայիս զեկույցների համաձայն՝ միայն ԱՄՆ-ում բենզինիէներգիային համարժեք կենսաջրածին արտադրելու համար անհրաժեշտ կլինի մոտ 25,000 քառակուսի կիլոմետր ջրիմուռների մշակություն։ Այս տարածքը կազմում է ԱՄՆ-ում սոյայի մշակությանը հատկացված տարածքի մոտավորապես 10%-ը։ 

### Կենսառեակտորի նախագծման խնդիրներ
* Ֆոտոսինթետիկ ջրածնի արտադրության սահմանափակում պրոտոնային գրադիենտի կուտակման հաշվին։
* Ֆոտոսինթետիկ ջրածնի արտադրության մրցակցային արգելակումը ածխաթթու գազի կողմից։
* Արդյունավետ ֆոտոսինթետիկ ակտիվության համար ֆոտոսիստեմ II- ում (PSII) բիկարբոնատի կապի պահանջը։
* Ջրիմուռներով ջրածնի արտադրության մեջ թթվածնի կողմից էլեկտրոնների մրցակցային ջրահեռացումը (դրենաժ)։
* Տնտեսական արդյունավետությունը պետք է հասնի մրցունակ գնի՝ էներգիայի այլ աղբյուրների համեմատ, իսկ այն կախված է մի քանի պարամետրերից։
* Հիմնական տեխնիկական խոչընդոտը արեգակնային էներգիան մոլեկուլային ջրածնի մեջ պահվող քիմիական էներգիայի վերածելու արդյունավետությունն է։

Փորձեր են արվում լուծել այս խնդիրները կենսաինժեներիայի միջոցով։

## Արտադրություն ցիանոբակտերիաներով
**Կենսաբանական ջրածնի արտադրություն** նկատվում է նաև ազոտաֆիքսող ցիանոբակտերիաների մոտ: Այս միկրոօրգանիզմները կարող են աճել՝ ձևավորելով թելեր: Ազոտի դեֆիցիտի պայմաններում որոշ բջիջներ կարող են մասնագիտանալ և ձևավորել հետերոցիստներ, ինչը ապահովում է անաէրոբ ներբջջային տարածություն՝ հեշտացնելու համար նիտրոգենազ ֆերմենտի միջոցով N2 ֆիքսացիան, ֆերմենտ, որը նույնպես արտահայտվում է բջջի ներսում:

Ազոտի ֆիքսացիայի պայմաններում նիտրոգենազ ֆերմենտը ընդունում է էլեկտրոններ և սպառում ԱԵՖ-ն՝ եռակի դիազոտային կապը խզելու և այն ամոնիակի վերածելու համար։  Նիտրոգենազ ֆերմենտի կատալիտիկ ցիկլի ընթացքում նաև մոլեկուլային ջրածին է արտադրվում։

N2 + 8 H+ + 8NAD(P)H + 16 ATP-> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi + 8 NAD(P)+։

Այնուամենայնիվ, քանի որ H2 -ի արտադրությունը բջիջների համար էներգիայի կարևոր կորուստ է, ազոտ ֆիքսող ցիանոբակտերիաների մեծ մասը նաև առանձնանում է առնվազն մեկ կլանող հիդրոգենազով։  Կլանող հիդրոգենազները ցուցաբերում են կատալիտիկ կողմնակալություն թթվածնի օքսիդացման նկատմամբ, այդպիսով կարող են յուրացնել արտադրված H2-ը՝ ազոտի ֆիքսման գործընթացում ներդրված էներգիայի մի մասը վերականգնելու համար։

## Պատմություն
1933 թվականին Մարջորի Սթեֆենսոնը և նրա ուսանող Սթիքլենդը հայտնել են, որ բջջային սուսպենզիաները կատալիզացնում են մեթիլեն կապույտի վերականգնումը H2-ով: Վեց տարի անց Հանս Գաֆրոնը նկատել է, որ կանաչ ֆոտոսինթետիկ ջրիմուռը *՝ Chlamydomonas reinhardtii-* ն, երբեմն կարող էր ջրածին արտադրել:  1990-ականների վերջին Անաստասիոս Մելիսը հայտնաբերել է, որ ծծմբի պակասը ջրիմուռներին ստիպում է թթվածնի արտադրությունից (նորմալ ֆոտոսինթեզ) անցնել ջրածնի արտադրության: Նա պարզել է, որ այս ռեակցիայի համար պատասխանատու ֆերմենտը հիդրոգենազն է, բայց հիդրոգենազը կորցնում է այս գործառույթը թթվածնի առկայության դեպքում: Մելիսը նաև հայտնաբերել է, որ ջրիմուռների համար հասանելի ծծմբի քանակի նվազումը խաթարում է նրանց ներքին թթվածնի հոսքը, ինչը հիդրոգենազին հնարավորություն է տալիս ստեղծել միջավայր, որտեղ այն կարող է արձագանքել, ինչը ջրիմուռներին ստիպում է ջրածին արտադրել:  *Chlamydomonas moewusii-ն* նույնպես խոստումնալից շտամ է ջրածնի արտադրության համար։

## Արդյունաբերական ջրածին
Կենսաջրածնի համար մրցակցում են բազմաթիվ հասուն արդյունաբերական գործընթացներ, գոնե առևտրային կիրառությունների համար: Բնական գազի գոլորշու միջոցով ռեֆորմինգը, որը երբեմն անվանում են գոլորշու մեթանի ռեֆորմինգ (SMR), մեծածախ ջրածին ստանալու ամենատարածված մեթոդն է՝ կազմելով համաշխարհային արտադրության մոտ 95%-ը։

CH4 + H2O  CO + 3 H2 ։

## Նշումներ

## Ծանոթագրություններ

## Արտաքին հղումներ
* Էներգետիկայի նախարարություն - Ջրածնի կենսաբանական արտադրության տեղեկագիր
* FAO
* Լույսի օգտագործման արդյունավետության և ջրածնի արտադրության մաքսիմալացում միկրոջրիմուռային մշակույթներում։    ում։
* Ինքնուրույն պատրաստված ջրիմուռների/ջրածնի կենսառեակտոր 2004
* EERE-ցիկլային ֆոտոկենսաբանական ջրիմուռների H2-արտադրություն

Կատեգորիա:Կենսավառելանյութեր
Կատեգորիա:Կենսատեխնոլոգիա
Կատեգորիա:Մանրէաբանություն
Կատեգորիա:Ջրածին
Կատեգորիա:Ջրածնային էներգետիկա
Կատեգորիա:Վերականգնվող էներգիա
Կատեգորիա:Թափոնների կառավարում