შეიძლება გასაოცრად ჟღერდეს, მაგრამ რთულ დროში და საკვების სიმწირისას, ნიადაგის ზოგიერთ ბაქტერიას ენერგიის მისაღებად ჰაერში არსებული წყალბადის მოხმარება შეუძლია.
უფრო მეტიც, ბაქტერიები ატმოსფეროდან წელიწადში 70 მილიონ ტონა წყალბადს შთანთქავენ და ეს პროცესი ფაქტობრივად აყალიბებს ჰაერს იმ შემადგენლობით, როგორსაც ჩვენ ვსუნთქავთ.
ავსტრალიის მონაშის უნივერსიტეტის მკვლევართა ჯგუფმა გამოყო ფერმენტი, რომელიც ზოგიერთ ბაქტერიას წყალბადის მოხმარებისა და მისგან ენერგიის მიღების საშუალებას აძლევს; შედეგად დაადგინეს, რომ მას პირდაპირ ელექტროდენის წარმოქმნა შეუძლია მცირე ოდენობის წყალბადის ზემოქმედებისასაც კი.
როგორც ისინი ჟურნალ Nature-ში გამოქვეყნებულ პუბლიკაციაში წერენ, ამ ფერმენტს შეიძლება სამომავლოდ მნიშნვნელოვანი პოტენციალი ჰქონდეს მცირე, ჰაერზე მომუშავე მოწყობილობების ენერგომომარაგებისთვის.
ბაქტერიული გენები ჰაერის ელექტროენერგიად გარდაქმნის საიდუმლოს შეიცავს
ამ აღმოჩენით შეგულიანებულმა მკვლევრებმა ნიადაგის ბაქტერიის, სახელად Mycobacterium smegmatis-ის გენეტიკური კოდი შეისწავლეს; ეს ბაქტერია ჰაერიდან წყალბადს მოიხმარს.
ამ გენებში ჩაშიფრულია გეგმა მოლეკულური აპარატის წარმოქმნის შესახებ, რომელიც პასუხისმგებელია წყალბადის მოხმარებასა და მის გარდაქმნაზე ბაქტერიისთვის საჭირო ენერგიად. ეს აპარატია ფერმენტი, სახელად ჰიდროგენაზა.
წყალბადი უმარტივესი მოლეკულაა; შედგება დადებითად დამუხტული ორი პროტონისგან, რომლებიც ერთმანეთთან დაკავშირებულია ორი უარყოფითად დამუხტული ელექტრონის მიერ წარმოქმნილი ბმით. ჰიდროგენაზა ამ ბმას არღვევს, პროტონები ერთმანეთს გამოეყოფა და ელექტრონები თავისუფლდებიან.
ამის შემდეგ, ეს თავისუფალი ელექტრონები ბაქტერიებში შემდეგ რთულ წრედში მიედინება, რომელსაც „ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვი“ ეწოდება და გამოიყენება უჯრედის ენერგიით მომარაგებისთვის.
ელექტროენერგია დენადი ელექტრონებისგან შედგება, რაც იმას ნიშნავს, რომ ჰიდროგენაზა წყალბადს პირდაპირ ელექტროდენად გარდაქმნის.
წყალბადი დედამიწის ატმოსფეროს მხოლოდ 0,00005 პროცენტს შეადგენს. ასე დაბალი კონცენტრაციის ამ აირის მოხმარება დიდი გამოწვევაა, რასაც ვერც ერთი ცნობილი კატალიზატორი ვერ აღწევს. გარდა ამისა, ჟანგბადი, რომელიც ატმოსფეროში უხვადაა, შხამავს წყალბადის მოხმარების აქტივობათა უმეტესობას.
იმ ფერმენტის გამოყოფა, რომელიც ბაქტერიებს ჰაერში ცხოვრების საშუალებას აძლევს
მკვლევრებს სურდათ გაეგოთ, როგორ ართმევს თავს ჰიდროგენაზა ამ გამოწვევებს და ამიტომ, M. smegmatis-ის უჯრედებიდან მისი გამოყოფა განიზრახეს.
პროცესი საკმაოდ რთული იყო. პირველ რიგში მოახდინეს M. smegmatis-ის გენების მოდიფიცირება, რამაც ბაქტერიას ამ ფერმენტის წარმოქმნის საშუალება მისცა. ამისათვის, ჰიდროგენაზას კონკრეტული ქიმიური მიმდევრობა დაუმატეს, რის შედეგადაც, M. smegmatis-დან მისი გამოყოფა შეძლეს.
არც ჰიდროგენაზას კარგად დათვალიერება იყო ადვილი. ამას რამდენიმე წელიწადი წარუმატებელი ექსპერიმენტი დასჭირდა, მაგრამ საბოლოოდ, ფერმენტის მაღალი ხარისხის ნიმუში მაინც მიიღეს.
თუმცა, მძიმე შრომა ამად ნამდვილად ღირდა, რადგან მკვლევართა მიერ მიღებული ჰიდროგენაზა ძლიერ სტაბილური აღმოჩნდა. უძლებს +80-დან -80 გრადუს ცელსიუსამდე ტემპერატურას ისე, რომ არ კარგავს აქტივობას.
ჰაერიდან წყალბადის მოპოვების მოლეკულური გეგმა
მკვლევრებმა იზოლირებული ჰიდროგენაზის სერიოზული შესწავლა დაიწყეს, რათა ზუსტად გაეგოთ, ზუსტად რისი უნარი აქვს ამ ფერმენტს. როგორ გარდაქმნის ჰაერში არსებულ წყალბადს ელექტროენერგიის მდგრად წყაროდ?
აღსანიშნავია, რომ ბაქტერიიდან იზოლირებულმა ჰიდროგენაზამაც კი მოიხმარა წყალბადი იმაზე გაცილებით დაბალ კონცენტრაციაზე, ვიდრე ჰაერშია. უფრო მეტიც, ის წყალბადის ისეთ მცირე კონცენტრაციასაც კი მოიხმარდა, რომლის დაფიქსირებაც აირის ქრომატოგრაფებს არ შეუძლია — მაღალი სიზუსტის ინსტრუმენტს, რომელსაც აირის კონცენტრაციის გასაზომად იყენებენ.
მკვლევრებმა ასევე დაადგინეს, რომ ჰიდროგენაზა ჟანგბადის მიერ სრულიად დაუთრგუნველია; ეს თვისება წყალბადის მომხმარებელ სხვა კატალიზატორებში არ ჩანდა.
წყალბადის ელექტროენერგიად გარდაქმნის უნარის შესაფასებლად, მკვლევრებმა ე. წ. ელექტროქიმიის მეთოდი გამოიყენეს. ამან აჩვენა, რომ ჰიდროგენაზას ჰაერში არსებული უმცირესი ოდენობის წყალბადის გარდაქმნაც კი შეუძლია ელექტროენერგიად, რასაც ელექტრული წრედის მომარაგება შეუძლია. წყალბადის მომხმარებელი კატალიზატორისთვის ასეთი მიღწევა მნიშვნელოვანი და უპრეცედენტოა.
იმის დასადგენად, თუ როგორ ახერხებს ჰიდროგენაზა ამას მოლეკულურ დონეზე, მკვლევართა ჯგუფმა რამდენიმე მოწინავე მეთოდი გამოიყენა.
სამომავლო მოწყობილობების ენერგომომარაგებისთვის, ფერმენტებს შეუძლიათ ჰაერი გამოიყენონ
ეს კვლევა ჯერ საკმაოდ ადრეული ეტაპია და იმისათვის, რათა ჰიდროგენაზას პოტენციალის რეალიზება მოხდეს, საჭიროა რამდენიმე ტექნიკური გამოწვევის დაძლევა.
პირველ რიგში, საჭირო იქნება ჰიდროგენაზას წარმოების მასშტაბის გაზრდა. ლაბორატორიაში მკვლევრებმა ის მილიგრამების ოდენობით შექმნეს, მაგრამ სურთ, რომ მასშტაბი გრამებამდე, საბოლოოდ კი კილოგრამებამდე გაზარდონ.
თუმცა, მათი კვლევა აჩვენებს, რომ ჰიდროგენაზა ფუნქციონირებს „ბუნებრივი ბატარეის“ მსგავსად, რომელიც არსებითი ოდენობის ელექტროდენს წარმოქმნის ჰაერისგან ან წყალბადისგან.
შედეგად, ჰიდროგენაზას მნიშვნელოვანი პოტენციალი აქვს პატარა, მდგრადი, ჰაერზე მომუშავე მოწყობილობებისთვის, რომლებიც მზის ენერგიის ალტერნატივა შეიძლება იყოს.
ჰაერში არსებული წყალბადის მიერ წარმოებული ენერგიის რაოდენობა მცირე იქნება, მაგრამ სავარაუდოდ საკმარისი, რათა ეყოს ბიომეტრიულ მონიტორს, საათს, LED ნათურას ან მარტივ კომპიუტერს. უფრო მეტი წყალბადით, ჰიდროგენაზა უფრო მეტ ელექტროენერგიას გამოიმუშავებს, რაც სავარაუდოდ საკმარისი იქნება უფრო დიდი მოწყობილობებისთვის.
კიდევ ერთი გამოყენება შეიძლება იყოს ჰიდროგენაზაზე დაფუძნებული წყალბადის დასაფიქსირებელი სენსორების შექმნა, რომლებიც უკიდურესად მგრძნობიარე იქნება. ის შეიძლება ფასდაუდებელი იყოს სხვადასხვა მოწყობილობებში წყალბადის გაჟონვების დასაფიქსირებლად.
კვლევა ჟურნალ Nature-ში გამოქვეყნდა.
მომზადებულია The Conversation-ის მიხედვით.
