Обратный фотосинтез для получения топлива из биомассы

Некоторые из реакций, которые в настоящее время занимают 24 часа, могут протекать всего за 10 минут с помощью солнечного света

Благодаря естественному процессу, который называется «обратный фотосинтез», ученые считают, что могут использовать энергию солнечного света для расщепления биомассы на химические вещества, топливо и другие продукты, производство которых, в противном случае, заняло бы намного больше времени.

Окисление растительной биомассы реакциями, катализируемыми ферментами, является основным механизмом в глобальном углеродном цикле и приобретает все большее значение и ценность для промышленного применения. Основные полимеры, происходящие из клеточной стенки растений, - целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин - окисляются чаще всего металлоферментами.

«Такая возможность присутствовала всегда, просто никто никогда не обращал на нее внимание: фотосинтез с помощью солнца не только позволяет вещам расти, но те же принципы могут применяться для разрушения растительных веществ, позволяя высвобождать химические субстанции». «Это может трансформировать промышленное производство топлива и химикатов, способствуя значительному сокращению количества загрязнений».

«Другими словами, прямой солнечный свет управляет химическими процессами. Огромная его энергия может быть использована для того, чтобы они могли происходить без дополнительных затрат энергии».

Это открытие означает то, что, используя солнечную энергию, «можно получать биотопливо и биохимикаты для таких областей, как производство пластмассы, делая это намного быстрее, при более низких температурах и с повышенной энергоэффективностью. Некоторые из реакций, которые в настоящее время занимают 24 часа, могут протекать всего за 10 минут с помощью солнечного света».

Как работает обратный фотосинтез

Монооксигеназы, природные ферменты, также используемые в промышленном производстве биотоплива, увеличивают свою эффективность при воздействии солнечного света.

Окислительные процессы имеют важное значение для деградации растительной биомассы. Класс мощных и широко распространенных окислительных ферментов, литические полисахаридные монооксигеназы, окисляют наиболее труднорастворимые полисахариды и требуют внеклеточных доноров электронов.

В качестве доноров электронов могут использоваться возбужденные фотосинтетические пигменты. Для исследования, монооксигеназы в сочетании с пигментами и восстановителями подвергались воздействию света, что приводило к 100-кратному увеличению каталитической активности. Кроме того, специфичность к субстрату монооксигеназ была расширена и включала как целлюлозу, так и гемицеллюлозу.

Таким образом, ферменты монооксигеназ и производные пигмента, распространенные в среде организмы, разлагающие растения, образуют высоко реактивную и стабильную систему, управляемую светом, увеличивающую скорость оборота и универсальность монооксигеназ.

Термин «обратный фотосинтез» используется потому, что ферменты используют атмосферный кислород и солнечные лучи для разрушения и преобразования углеродных связей в растениях, вместо того чтобы растения росли и производили кислород, как это обычно происходит при фотосинтезе.

Исследователи пока не знают, как широко в природе распространен обратный фотосинтез с использованием света, хлорофилла и монооксигеназ, но есть много признаков того, что грибы и бактерии используют обратный фотосинтез для получения доступа к сахару и питательным веществам из растений.

Обратный фотосинтез может разрушить химические связи между углеродом и водородом - это качество, которое может быть использовано для преобразования метана биогазовой установки в метанол, жидкое топливо. В качестве сырья метанол очень привлекателен, поскольку его можно использовать в нефтехимической промышленности и перерабатывать в топливо, материалы и химикаты.

Источник: https://doi.org/10.1038/ncomms11134