Хлебные крошки против нефти: учёные нашли способ добывать водород из пищевых отходов

Хлебные крошки — пищевые отходы — могут заменить ископаемое топливо в качестве источника водорода для одной из самых распространённых химических реакций в промышленном производстве, утверждается в новом исследовании.

Новый процесс, описанный 23 февраля в журнале Nature Chemistry, сочетает естественные процессы брожения в бактериях с металлическим катализом для получения целого ряда ценных химических продуктов из простых пищевых отходов. Расчёты показали, что этот гибридный метод в целом является углеродно-негативным. Авторы считают, что он может стать первым шагом к переосмыслению химического производства как более устойчивой отрасли.

Гидрирование — это химический процесс, в ходе которого молекула водорода встраивается в двойную связь. Это ключевая реакция в производстве продуктов питания, пластмасс и синтезе лекарственных препаратов.

Однако основная часть водорода, используемого в этой реакции, получается из ископаемого топлива с помощью грязного и энергозатратного процесса, называемого паровым риформингом. При этом на каждый килограмм полученного водорода образуется от 15 до 20 килограммов углекислого газа. Таким образом, гидрирование представляет собой огромную проблему для устойчивого развития химической промышленности, и учёные срочно ищут более «зелёные» альтернативы.

Стивен Уоллес, профессор химической биотехнологии Эдинбургского университета, решил выяснить, можно ли использовать силу биологии для решения этой химической проблемы. Многие бактерии естественным образом производят водород, когда вынуждены дышать анаэробно (без кислорода), и выделяют постоянный поток этого газа в окружающую среду. Если бы это можно было связать с совместимой химической системой, теоретически возможно использовать био-водород в реакции гидрирования, тем самым устранив необходимость в ископаемом топливе, рассуждал Уоллес.

«Главная проблема заключалась в поиске катализатора, который может работать в живой системе — в воде, при мягких температурах и не нанося вреда клеткам, — объяснил он Live Science по электронной почте. — Нам пришлось соблюдать баланс с обеих сторон: катализатор, который остаётся активным в сложной биологической среде, и микробы, которые продолжают функционировать в присутствии катализатора».

Команда вырастила культуру бактерий E. coli в среде, содержащей глюкозу, добавила коммерческий палладиевый катализатор и тестовый субстрат, а затем обработала смесь для удаления кислорода. Реакция в бескислородной среде инкубировалась при температуре 37 градусов Цельсия в течение суток. Последующий анализ показал, что лучший штамм дал ожидаемый продукт гидрирования с выходом 94%.

«Металлический катализатор попадает в систему и по сути связывается с клеточной мембраной, — объяснил Симон Морра, биотехнолог из Ноттингемского университета, не участвовавший в работе. — Сама клетка производит водород, и как только водород начинает диффундировать из клетки, он сталкивается с этим металлическим катализатором, который выполняет вторую часть реакции и производит продукт гидрирования».

Создав биосовместимую систему, Уоллес затем попытался заменить дорогое сырьё — глюкозу — на более дешёвую и устойчивую альтернативу. Сосредоточившись на хлебных отходах, команда использовала микробные ферменты для расщепления сложных молекул углеводов в хлебных крошках до простых единиц глюкозы. Это полученное из отходов топливо затем подавалось непосредственно в культуры E. coli, эффективно превращая хлебные крошки в водород.

Но у исследователей был ещё один козырь в рукаве: вместо того чтобы подавать молекулу-предшественника в бактериальную культуру, они генетически модифицировали некоторые штаммы так, чтобы те производили необходимые субстраты внутри самих клеток. «Это блестяще и очень вдохновляет, — сказал Морра. — Они показывают, что могут использовать синтетические способности E. coli. По сути, они могут использовать углеродные пути клетки для создания любого нужного им субстрата».

Использование биогенного водорода привело к трёхкратному снижению выбросов парниковых газов по сравнению с использованием ископаемого топлива. Особенно процесс гидрирования на хлебных крошках снизил потенциал глобального потепления более чем на 135%, что соответствует углеродно-негативному следу. То есть процесс не просто нейтрален, а реально забирает углерод из атмосферы.

Сейчас команда работает над увеличением количества возможных субстратов и адаптирует процесс для переработки других видов биологических отходов — овощной кожуры, отработанного кофе и даже сточных вод пищевых производств. В перспективе исследователи надеются внедрить метод в промышленный химический синтез. Представьте себе завод, который вместо того, чтобы сжигать газ для получения водорода, питает свои реакторы баками с бактериями, которых кормят объедками из ближайшей пекарни.

«Прямо сейчас система лучше всего работает с простыми алкенами, — молекулами, содержащими двойную углерод-углеродную связь, — сказал Уоллес. — Она пока не так эффективна, как промышленные процессы, но демонстрирует принципиально новый способ проведения гидрирования. Чтобы сделать его жизнеспособным, нам нужно повысить эффективность, масштабировать биологию и разработать катализаторы, которые останутся стабильными и экономически выгодными в промышленных масштабах».

Впрочем, даже на нынешнем этапе открытие Уоллеса — это не просто лабораторный курьёз. Это доказательство того, что будущее «зелёной» химии может лежать не в дорогих и редких катализаторах из благородных металлов, а в самых обычных бактериях, которых мы научимся правильно «нанимать на работу». И кормить их за наш счёт — буквально объедками со стола. Возможно, через десять лет выражение «хлеб всему голова» приобретёт новый, совсем неожиданный смысл.