Сегодня, кажется, все понимают важность сохранения окружающей среды, однако взаимоотношения человека с природой и в начале третьего тысячелетия отчасти рассматриваются как противостояние двух во многом враждебных миров - "мира природы" и "человека".
Известный австрийский биолог, лауреат Нобелевской премии Конрад Лоренц, характеризуя фатальные последствия такой пагубной "философии", писал: "Повседневная жизнь стольких людей протекает среди мертвых произведений человеческих рук, они потеряли способность понимать живые творения и общаться с ними. Эта потеря объясняет, почему человечество в целом демонстрирует такой вандализм по отношению к миру живой природы, окружающей нас и поддерживает нашу жизнь. Попробовать восстановить утраченную связь между людьми и остальными живыми организмами, что обитают на нашей планете, - очень важная и очень достойная задача. В конечном счете успех или провал подобных попыток решает вопрос - потеряет человечество себя со всеми живыми существами на Земле или нет? ". Поэтому стратегическая задача экобиотехнологии и ее неотъемлемой составляющей - биоэнергетики видится в поисках путей их приближения и взаимовыгодного взаимодействия.
Первая фундаментальная особенность биоэнергетики состоит в том, что все живые организмы являются термодинамически открытыми системами, которые функционируют только при условии постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Термодинамика подобных систем существенно отличается от классической. Основное для классической термодинамики понятие равновесных состояний заменяется понятием о стационарных состояниях динамического равновесия. Открытые системы способны к самоорганизации и саморазвитию. Вторая важнейшая особенность биоэнергетики связана с тем, что обменные процессы в клетках протекают в условиях отсутствия значительных колебаний температуры, давления и объема. Природа, в отличие от техники, не могла себе позволить высоких температур, давления и других условий, имеющих место в современных двигателях внутреннего сгорания и других тепловых машинах. Переход энергии химической связи в полезную биологическую работу в отдельной клетке или организме в целом происходит без преобразования химической энергии в тепловую.
Следует отметить, что в процессах преобразования энергии в живых организмах существенную роль играют электрохимические стадии. Совокупная мощность электрохимических процессов, происходящих в клетках всех живых организмов биосферы, на много порядков превышает мировые масштабы технического использования электрохимической энергии. В живую клетку как бы вмонтирован водородно-кислородный топливный элемент (ТЭ). Подобно тому, как в ТЭ химическая энергия топлива превращается в электрическую, живая природа химическую энергию макроэргических соединений также сначала трансформирует в электрические формы, а затем, в процессе окислительного фосфорилирования, сразу же консервирует в энергию химических связей. Практическое применение уже нашли ТЭ, где в качестве топлива используют водород, а в качестве окислителя - кислород, электролитом служит щелочь или ионообменный полимер. Достигнутые на сегодняшний день в разработке ТЭ успехи связаны главным образом с химией, однако необходимо отметить, что существуют и другие, на наш взгляд, более перспективные пути решения этой проблемы.
Первоочередного внимания, по нашему мнению, заслуживают системы энергоустановок, которые способны с помощью микроорганизмов превращать непосредственно энергию химических связей органических молекул в электрическую энергию. Подобные процессы позволяют обойти тепловую стадию, трансформировав свободную энергию сразу же в электрическую энергию. Таким образом энергия органических химических соединений наиболее эффективно будет использована и при этом окружающая среда не будет загрязняться лишним теплом. Такие технологии позволят значительно сократить уровень потребления органического топлива, не сбавляя при этом уровень энергопотребления. В последние годы тематика Био-ТЭ получила новый мощный импульс благодаря растущему интересу к производству так называемой «зеленой» (или экологической) электроэнергии, поскольку микроорганизмы (включая бактерии, дрожжи, водоросли и др.) способны использовать в качестве топлива практически весь спектр органических веществ, в том числе различные отходы. Это открывает возможность одновременного решения как экологических, так и энергетических проблем. В первую очередь это относится к сточным водам. Так, на кафедре экобиотехнологии и биоэнергетики выполняются работы, направленные на поиск и использование микроорганизмов, которые способны как к разложению и детоксикации некоторых из наиболее проблематичных загрязнителей окружающей среды и, в частности, сточных вод, так и к генерированию электроэнергии. Такие бактерии способны к непрерывной выработке электричества в количествах, достаточных для питания небольших электронных устройств. Речь идет, прежде всего, о представителях рода Desulfitobacterium и металл-редикуючих бактерий, которые способны передавать ток на проводник без медиаторов. Эти бактерии очень разнообразны в смысле своих метаболических особенностей; поэтому они могут превращать большие количества различных субстратов (пищи) в электричество. Другая уникальная особенность этих бактерий в том, что они являются примером формирующих споры бактерий, которые способны непрерывно производить электричество. Все это составит основу экобиотехнологий, которые могут сыграть определяющую роль в очистке сточных вод, и при этом можно будет получать определенное количество электричества. По подобному принципу на новой основе можно построить и солнечные батареи. Если удастся включить в такие Био-ТЭ хлорофилл с растений и ряд вспомогательных ферментов, то тогда энергию возбуждения хлорофилла фотонами света можно будет принимать непосредственно на токопроводящую подложку.
Следующий аспект биоэнергетики неразрывно связан с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Все живое население биосферы, кроме человека, на протяжении своего эволюционного развития приспособилось к существованию за счет возобновляемых энергетических ресурсов. Подобная стратегия использования энергии в условиях Земли является единственно возможным направлением устойчивого развития и стабильного существования. Именно поэтому возможность широкого использования ВИЭ в хозяйстве в последние несколько лет рассматривается очень внимательно. Такой подход имеет преимущества и в контексте охраны окружающей среды. Доля ВИЭ в топливно-энергетическом балансе отдельных стран до сих пор сильно дифференцирована, и с целью ее увеличения в Европейском Союзе было принято Белую книгу "Энергия будущего в возобновляемых источниках энергии". Это издание на сегодня является ключевым документом стратегического характера, который определяет направления долгосрочной политики и ставит количественную цель - увеличение доли ВИЭ с 6 до 10% за период 2000-2020 годов.
Возобновляемые источники энергии в будущем должны составлять значительную долю и в энергетическом балансе отдельных районов и областей Украины. Ежегодно в Украине потребляется около 200 млн.тонн условного топлива, при этом добыча из природных источников составляет всего лишь 80 млн т. Важным потенциальным ресурсом при таком балансе собственного и импортируемого энергетического сырья может стать биотопливо. Форма биомассы для использования ее в качестве биотоплива может быть довольно разнообразной. Биомассу в энергетических целях можно использовать в процессе непосредственного сжигания древесины, соломы, сапропеля (органических донных отложений), а также в переработанном виде как жидкие (эфиры рапсового масла, спирты) или газообразные (биогаз - газовая смесь, основным компонентом которой является метан) топлива . Конверсия биомассы в носителе энергии может происходить физическими, химическими и биологическими методами, последние являются наиболее перспективными. В зависимости от вида сырья и масштабов производства затраты на изготовление жидких биотоплив меняются в диапазоне от 0,4 долл. / дм3 для этанола из кукурузы в США до 0,6 долл. / дм3 для метиловых эфиров высших жирных кислот из растительных масел в Европе. По сравнению с ними стоимость производства жидкого топлива из полезных ископаемых составляет около 0,2 долл. / дм3. Хотя сегодня производство жидкого биотоплива - процесс более дорогой, эксперты утверждают, что разница стоимости био- и минерального горючего начнет исчезать примерно в 2010 году. На основе проведенных в США исследований установлено, что стоимость ликвидации негативных последствий, которые имеют место в окружающей среде и вызванные производством и применением топлива из полезных ископаемых, колеблется в пределах от 0,1 до 0,4 долл. / дм3. Таким образом, суммарный баланс стоимости указывает на то, что топливо, полученное из возобновляемых биологических источников, может быть дешевле в валовом экономическом расчете.
Недавно появились сообщения о возможности переработки органических соединений растительного происхождения для получения водорода, который с точки зрения экологии является идеальным топливом, имеет высокую теплотворную способность (12,8 кДж / м3) и сгорает без образования вредных примесей. Существуют фототрофные бактерии, способные выделять водород под действием света. Пока они "работают" достаточно медленно. Но в них заложены природой такие биохимические механизмы и содержатся такие ферменты, позволяющие катализировать образование водорода из воды. Некоторые ферменты рядом с водородом образуют и кислород, то есть происходит фотолиз воды. Примером может служить система, включающая хлоропласты или хлорофилл и фермент гидрогеназы. Хотя это направление пока не дало практических результатов, оно является весьма перспективным для дальнейшего развития биоэнергетики.
Подытоживая отметим, что сегодня в мире продолжают развиваться явления, нарушающие цивилизованное течение жизни - исчерпываются традиционные источники энергии, растет стоимость их добычи, интенсивно загрязняется окружающая среда, разрушается биосфера, образуется чрезмерное количество органических отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения. Ликвидация всех этих проблем должна осуществляться ускоренными темпами, и биоэнергетика - это выбор, который имеет глобальную перспективу для дальнейшего успешного развития цивилизации.
Feb 21 2007 || Автор: Е.В.Кузьминский, заведующий кафедрой экобиотехнологии и биоэнергетики, д.х.н., проф., чл.-корр. АТН Украины