Сьогодні, здається, усі розуміють важливість збереження довкілля, проте взаємини людини з природою і на початку третього тисячоліття почасти розглядаються як протистояння двох багато в чому ворожих світів – “світу природи” і “світу людини”.
Відомий австрійський біолог, лауреат Нобелівської премії Конрад Лоренц, характеризуючи фатальні наслідки такої згубної “філософії”, писав: “Повсякденне життя стількох людей перебігає серед мертвих витворів людських рук, що вони втратили здатність розуміти живі творіння і спілкуватися з ними. Ця втрата пояснює, чому людство в цілому демонструє такий вандалізм по відношенню до світу живої природи, що оточує нас і підтримує наше життя. Спробувати поновити втрачений зв’язок між людьми та рештою живих організмів, що мешкають на нашій планеті, – дуже важлива і дуже достойна задача. В кінцевому рахунку успіх чи провал подібних спроб вирішує питання – загубить людство себе з усіма живими істотами на Землі чи ні?”. Тому стратегічне завдання екобіотехнології та її невід’ємної складової – біоенергетики вбачається в пошуках шляхів їх наближення і взаємовигідної взаємодії.
Перша фундаментальна особливість біоенергетики полягає в тому, що будь-які живі організми є термодинамічно відкритими системами, які функціонують лише за умов постійного обміну речовиною та енергією з навколишнім середовищем. Термодинаміка подібних систем істотно відрізняється від класичної. Основне для класичної термодинаміки поняття рівноважних станів замінюється поняттям про стаціонарні стани динамічної рівноваги. Відкриті системи здатні до самоорганізації та самовдосконалення. Друга найважливіша особливість біоенергетики пов’язана з тим, що обмінні процеси в клітинах протікають за умов відсутності значних коливань температури, тиску та об’єму. Природа, на відміну від техніки, не могла собі дозволити високих температур, тиску та інших умов, що мають місце в сучасних двигунах внутрішнього згоряння та інших теплових машинах. Перехід енергії хімічного зв’язку в корисну біологічну роботу в окремій клітині або організмі в цілому відбувається без перетворення хімічної енергії в теплову.
Слід відмітити, що в процесах перетворення енергії в живих організмах суттєву роль відіграють електрохімічні стадії. Сукупна потужність електрохімічних процесів, що відбуваються в клітинах усіх живих організмів біосфери, на багато порядків перевищує світові масштаби технічного використання електрохімічної енергії. В живу клітину немов би вмонтовано воднево-кисневий паливний елемент (ПЕ). Подібно до того, як в ПЕ хімічна енергія палива перетворюється в електричну, жива природа хімічну енергію макроергічних сполук також спочатку трансформує в електричні форми, а потім, у процесі окисного фосфорилювання, відразу ж консервує в енергію хімічних зв’язків. Практичне застосування вже знайшли ПЕ, в яких як паливо використовують водень, а як окисник – кисень, електролітом слугує луг або іонообмінний полімер. Досягнуті на сьогодні в розробці ПЕ успіхи пов’язані головним чином з хімією, проте необхідно відзначити, що існують і інші, на наш погляд, більш перспективні шляхи вирішення цієї проблеми.
Першочергової уваги, на нашу думку, заслуговують системи енергоустановок, які здатні за допомогою мікроорганізмів перетворювати безпосередньо енергію хімічних зв’язків органічних молекул у електричну енергію. Подібні процеси дозволяють оминути теплову стадію, трансформувавши вільну енергію одразу ж в електричну енергію. Таким чином енергія органічних хімічних сполук найбільш ефективно буде використана і при цьому довкілля не буде забруднюватись зайвим теплом. Такі технології дозволять значно скоротити рівень споживання органічного палива, не зменшуючи при цьому рівень енергоспоживання. Останніми роками тематика Біо-ПЕ отримала новий потужний імпульс завдяки зростаючому інтересу до виробництва так званої «зеленої» (або екологічної) електроенергії, оскільки мікроорганізми (включаючи бактерії, дріжджі, водорості та ін.) здатні використовувати як паливо практично весь спектр органічних речовин, у тому числі різноманітні відходи. Це відкриває можливість одночасного вирішення як екологічних, так і енергетичних проблем. У першу чергу це відноситься до стічних вод. Так, на кафедрі екобіотехнології та біоенергетики виконуються роботи, спрямовані на пошук і використання мікроорганізмів, які здатні як до розкладання і детоксикації деяких із найбільш проблематичних забруднювачів довкілля і, зокрема, стічних вод, так і до генерування електроенергії. Такі бактерії здатні до безперервного продукування електрики в кількостях, достатніх для живлення невеликих електронних пристроїв. Йдеться, перш за все, про представників роду Desulfitobacterium та метал-редикуючих бактерій, які здатні передавати струм на провідник без медіаторів. Ці бактерії надзвичайно різноманітні в сенсі своїх метаболічних особливостей; тому вони можуть перетворювати великі кількості різних субстратів (поживи) в електрику. Інша унікальна особливість цих бактерій в тому, що вони є прикладом формуючих спори бактерій, які здатні безперервно продукувати електрику. Усе це складе підгрунтя екобіотехнологій, які можуть відіграти визначальну роль у очистці стічних вод, і при цьому можна буде отримувати певну кількість електрики. За подібним принципом на новій основі можна побудувати і сонячні батареї. Якщо вдасться включити в такі Біо-ПЕ хлорофіл із рослин і ряд допоміжних ферментів, то тоді енергію збудження хлорофілу фотонами світла можна буде приймати безпосередньо на струмопровідну підкладку.
Наступний аспект біоенергетики нерозривно пов’язаний з використанням поновлюваних джерел енергії (ПДЕ). Все живе населення біосфери, крім людини, протягом свого еволюційного розвитку пристосувалося до існування за рахунок поновлюваних енергетичних ресурсів. Подібна стратегія використання енергії в умовах Землі є єдиним можливим напрямком стійкого розвитку та стабільного існування. Саме тому можливість широкого використання ПДЕ в господарстві в останні кілька років розглядається дуже уважно. Такий підхід має переваги і в контексті охорони навколишнього середовища. Частка ПДЕ у паливно-енергетичних балансах окремих країн до цього часу сильно диференційована, і з метою її збільшення в Європейському Союзі було прийнято Білу книгу “Енергія майбутнього у поновлюваних джерелах енергії”. Це видання на сьогодні є ключовим документом стратегічного характеру, який визначає напрями довгострокової політики і ставить кількісну мету – збільшення частки ПДЕ з 6 до 10% за період 2000–2020 років.
Поновлювані джерела енергії у майбутньому мають становити значну частку і в енергетичному балансі окремих районів та областей України. Щорічно в Україні споживається близько 200 мільйонів тонн умовного палива, при цьому видобуток з природних джерел країни становить лише 80 млн т. Важливим потенційним ресурсом при такому балансі власної та імпортованої енергетичної сировини може стати біопаливо. Форма біомаси для використання її як біопалива може бути досить різноманітною. Біомасу в енергетичних цілях можна використовувати в процесі безпосереднього спалювання деревини, соломи, сапропелю (органічних донних відкладень), а також у переробленому вигляді як рідкі (ефіри ріпакової олії, спирти) або газоподібні (біогаз – газова суміш, основним компонентом якої є метан) палива. Конверсія біомаси у носії енергії може відбуватися фізичними, хімічними та біологічними методами, останні є найбільш перспективними. Залежно від виду сировини та масштабів виробництва витрати на виготовлення рідких біопалив змінюються в діапазоні від 0,4 дол./дм3 для етанолу з кукурудзи в США до 0,6 дол./дм3 для метилових ефірів вищих жирних кислот з рослинних олій у Європі. Порівняно з ними вартість виробництва рідкого палива з корисних копалин складає близько 0,2 дол./дм3 . Хоча сьогодні виробництво рідкого біопалива – процес більш дорогий, експерти стверджують, що різниця вартості біо- та мінерального пального почне зникати приблизно в 2010 році. На основі проведених у США досліджень встановлено, що вартість ліквідації негативних наслідків, які мають місце в навколишньому середовищі та викликані виробництвом та застосуванням палива з корисних копалин, коливається в межах від 0,1 до 0,4 дол./дм3 . Таким чином, сумарний баланс вартості вказує на те, що пальне, отримане з поновлюваних біологічних джерел, може бути дешевшим у валовому економічному розрахунку.
Нещодавно з’явилися і повідомлення про можливість переробки органічних сполук рослинного походження з одержання водню, який з погляду екології є ідеальним паливом, що має високу теплотворну здатність (12,8 кДж/м3) і згорає без утворення шкідливих домішок. Існують фототрофні бактерії, здатні виділяти водень під дією світла. Поки що вони “працюють” достатньо повільно. Але в них закладені природою такі біохімічні механізми і містяться такі ферменти, що дозволяють каталізувати утворення водню з води. Деякі ферменти поряд з воднем утворюють і кисень, тобто відбувається фотоліз води. Прикладом може бути система, що включає хлоропласти або хлорофіл і фермент гідрогеназу. Хоча цей напрямок поки що не дав практичних результатів, він є вельми перспективним для подальшого розвитку біоенергетики.
Підсумовуючи наголосимо, що сьогодні у світі продовжують розвиватись явища, що порушують цивілізований плин життя – вичерпуються традиційні джерела енергії, зростає вартість їх видобування, інтенсивно забруднюється довкілля, руйнується біосфера, утворюється надмірна кількість органічних відходів промислового, сільськогосподарського та побутового походження. Ліквідація всіх цих негараздів має здійснюватися прискореними темпами, і біоенергетика – це вибір, який має глобальну перспективу для подальшого успішного розвитку цивілізації.