微生物による水素生産。

バイオ水素は生物学的に生成される水素です。 [1] 水素はクリーンな燃料であり、特定の種類のバイオマス[ 2 ] （生物学的廃棄物を含む）から容易に生成できるため、この技術への関心が高まっています。[3]さらに、一部の光合成微生物は 、光をエネルギー源として水分解から直接水素を生成することができます。[ 4 ] [5]

生物学的水素生産は有望な可能性を秘めている一方で、この技術には多くの課題が伴います。まず第一に、爆発性のある非凝縮性ガスの貯蔵・輸送といった、水素特有の課題が挙げられます。さらに、水素を生産する生物は酸素（O2 ）によって被毒するため、水素の収量が低い場合が多くあります。

生化学の原理

水素生成を促進する主な反応は、基質を酸化して電子を得る反応です。そして、これらの電子は自由水素原子に転移され、分子状水素原子を形成します。この水素原子還元反応は通常、ヒドロゲナーゼと呼ばれる酵素ファミリーによって行われます。

従属栄養生物では、糖の発酵中に電子が生成されます。多くの発酵において、 NADHからNAD +を再生する方法として水素ガスが生成されます。[6]電子はフェレドキシンに伝達されるか、またはヒドロゲナーゼによってNADHから直接受け取られ 、H 2が生成されます。このため、ほとんどの反応はグルコースから始まり、酢酸に変換されます。[7]

関連する反応では二酸化炭素の代わりにギ酸が生成します。

これらの反応はそれぞれ 216 kcal/mol と 209 kcal/mol の発熱量があります。

すべての生物の99%が二水素（H2 ） を利用または生成すると推定されている。これらの種のほとんどは微生物であり、代謝産物としてH2を使用または生成する能力は、ヒドロゲナーゼとして知られるH2 金属酵素の発現に起因する。[8]この多種多様なファミリー内の酵素は、活性部位の金属含有量に基づいて、一般的に3つの異なるタイプに分類される：[FeFe]-ヒドロゲナーゼ（鉄-鉄）、[NiFe]-ヒドロゲナーゼ（ニッケル-鉄）ヒドロゲナーゼ、および[Fe]-ヒドロゲナーゼ（鉄のみ）である。[9]多くの生物がこれらの酵素を発現している。注目すべき例としては、ほとんどが厳密な嫌気性菌または通性微生物であるクロストリジウム属、デスルフォビブリオ属、ラルストニア属、または病原体ヘリコバクター属のメンバーが挙げられる。緑藻類などの他の微生物も、クラミドモナス属の場合のように、非常に活性の高いヒドロゲナーゼを発現します。

3 種類のヒドロゲナーゼ酵素の活性部位構造。

ヒドロゲナーゼ酵素の多様性に富むことから、現在行われている取り組みは、改良された特性を持つ新規酵素のスクリーニングに重点が置かれており、[10] [11] [12]、すでに特性が判明しているヒドロゲナーゼにさらに望ましい特性を付与するためのエンジニアリングにも重点が置かれています。[13]

藻類による生産

藻類を用いた生物学的水素生産は、閉鎖系光バイオリアクターを用いて行われる光生物学的水分解法であり、藻類による太陽燃料としての水素生産に基づいています。[14] [15]藻類は特定の条件下で水素を生成します。2000年には、 C. reinhardtii藻類から硫黄が除去されると、通常の光合成における酸素生産から水素生産に切り替わることが発見されました。 [16] [17] [18]

緑藻類は[FeFe]ヒドロゲナーゼを発現し、その回転速度は10 4 s −1を超える最も効率的なヒドロゲナーゼの一つと考えられています。しかしながら、この驚くべき触媒効率は、酸素に対する極めて敏感な性質によって影を潜めており、O 2によって不可逆的に不活性化されます[13] 。細胞から硫黄が枯渇すると、光化学系IIの光損傷によ​​り酸素発生が停止し、この状態で細胞はO 2を消費し始め、天然の[FeFe]ヒドロゲナーゼがH 2生成を触媒するのに理想的な嫌気性環境を提供します。

光合成

水素を生産できる藻類細胞ベースのバイオリアクター[19]

シアノバクテリアと緑藻における光合成は、水を水素イオンと電子に分解します。電子はフェレドキシンを介して輸送されます。[20] Fe-Fe-ヒドロゲナーゼ（酵素）は、これらを水素ガスに結合させます。クラミドモナス・ラインハルティでは、 光合成系IIは太陽光を直接変換することで、最終的に水素ガスとなる電子の80%を生成します。[21]

2020年、科学者たちは、空気中で日光下において光合成により酸素または二酸化炭素と水素を生産できる多細胞球状微生物リアクター用の藻類細胞ベースのマイクロエマルジョンの開発を報告した。マイクロリアクターを相乗効果のある細菌で囲むことで、酸素 濃度の低下を通じて水素生産量を増加させることが示された。[22] [19]

光集光アンテナの削減による生産性の向上

緑藻類のクロロフィル（Chl）アンテナは、光生物学的太陽光変換効率と水素生産を最大化するために、最小化、すなわち切断されています。光捕集複合体である 光化学系II光捕集タンパク質LHCBM9は、効率的な光エネルギー散逸を促進することが示されています。[23]切断されたChlアンテナのサイズは、個々の細胞による太陽光の吸収と無駄な散逸を最小限に抑え、緑藻をバイオリアクターで大量培養した場合の光利用効率と光合成効率を向上させます。[24]

経済

藻類由来のバイオ水素に関する最新の報告によると、米国だけでもガソリンのエネルギーに相当するバイオ水素を生産するには、約25,000平方キロメートルの藻類栽培面積が必要になるとされています。これは、米国における大豆栽培面積の約10%に相当します。[25]

バイオリアクターの設計上の問題

  • プロトン勾配の蓄積による光合成による水素生成の制限。
  • 二酸化炭素による光合成による水素生成の競合的阻害。
  • 効率的な光合成活動には光合成系 II (PSII)での重炭酸塩の結合が必要である。
  • 藻類による水素生産における酸素による電子の競合的排出。
  • 経済性は他のエネルギー源に対して競争力のある価格に到達する必要があり、経済性はいくつかのパラメータに依存します。
  • 大きな技術的障害は、太陽エネルギーを分子状水素に蓄えられた化学エネルギーに変換する効率です。

これらの問題をバイオエンジニアリングで解決する試みが進行中です。

シアノバクテリアによる生産

生物学的水素生産は、窒素固定性 シアノバクテリアでも観察されています。この微生物は糸状体を形成して成長します。窒素が制限された条件下では、一部の細胞は分化して異質細胞を形成し、嫌気性の細胞内空間を確保することで、同じく細胞内で発現する窒素固定酵素による窒素固定を容易にします。

窒素固定条件下では、窒素固定酵素は電子を受け取り、ATPを消費して三重窒素結合を切断し、アンモニアに還元します。[26]窒素固定酵素の触媒サイクル中に、分子状水素も生成されます。

しかしながら、 H2の生成は細胞にとって重要なエネルギー損失であるため、ほとんどの窒素固定シアノバクテリアは少なくとも1つの取り込み水素酵素も備えています。[27]取り込み水素酵素は酸素酸化に対する触媒的偏向を示し、したがって窒素固定プロセス中に投入されたエネルギーの一部を回収する方法として、 生成されたH2を同化することができます。

歴史

1933年、マージョリー・スティーブンソンと彼女の学生スティックランドは、細胞懸濁液がメチレンブルーのH2還元を触媒することを報告した。 6年後、ハンス・ガフロンは緑色光合成藻類クラミドモナス・ラインハルティが水素を生成することがあることを観察した。[28] 1990年代後半、アナスタシオス・メリスは、硫黄の欠乏により藻類が酸素生成（通常の光合成）から水素生成に切り替わることを発見した。彼は、この反応を担う酵素はヒドロゲナーゼであるが、ヒドロゲナーゼは酸素存在下ではこの機能を失うことを発見した。メリスはまた、藻類が利用できる硫黄の量を枯渇させると藻類内部の酸素の流れが遮断され、ヒドロゲナーゼが反応できる環境が与えられ、藻類が水素を生成することを発見した。[29] クラミドモナス・モエウスイも水素生成に有望な菌株である。[30] [31]

産業用水素

バイオ水素は、少なくとも商業用途においては、多くの成熟した工業プロセスと競合しています。 天然ガスの水蒸気改質（水蒸気メタン改質（SMR）とも呼ばれる）は、バルク水素を生産する最も一般的な方法であり、世界の生産量の約95%を占めています。[32] [33] [34]

参照

参考文献

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