A Tellus Kutatási Közhasznú Alapítvány kezében a kulcs egy szebb jövőhöz

A Tellus Alapítvány sikeresen zárta három éves kutatási projektjét, mely során új mérföldkövet ért el az alga alapú hidrogéntermelés nagyüzemi technológiájának kifejlesztéséhez vezető úton.

Az alapítvány elsődleges célként a természet védelmében, az energiahatékonyság növelése és az élhetőbb-, tisztább és biztonságosabb környezet kialakítása érdekében, valamint a fenntartható fejlődés feltételeit megteremtendő végez kutatási munkákat több nemzetközi és hazai szervezettel együttműködve.

Az energia, a jövő záloga

Napjainkban az energiaellátás biztonsága aktuális és megkerülhetetlen feladattá vált, amelynek hosszú távú megoldását jelenthetné a Nap kimeríthetetlen energiájának hatékonyabb hasznosítása. A napenergia begyűjtésére alkalmasak a fotoszintetikus mikroorganizmusok, amelyek a fényenergia megkötése révén magas energiatartalmú vegyületeket tudnak felhalmozni. Ezen organizmusok képesek a fényenergia által generált elektronokat speciális enzimmolekulák, a hidrogenázok felé irányítani és ezek segítségével hidrogént termelni. A hidrogenázok közvetlen hidrogéntermelésre képesek (direkt fotolízis) megfelelő körülmények között.

A projekt során megszerzett ismeretek közvetlenül hasznosíthatók gazdaságos zöld energia előállítására: a zöldalgák hidrogénfejlesztő kapacitásának feltérképezése a hidrogén anyagcsere és az ehhez közvetlenül és közvetetten kapcsolódó anyagcsere-folyamatok részletes megismerése révén.

A ma létező technológiák a napenergia hasznosítására drágák és nem eléggé hatékonyak. E probléma egyik, biológiai megoldási lehetőségét olyan fotoszintetizáló mikroorganizmusok jelentik, amelyek az energiatermelésben felhasználhatók speciális enzimrendszereik, a hidrogenázok révén.

A H2 termelő folyamat fejlesztésében a nehézséget az algák H2 metabolizmusának komplexitása jelenti. Ezek a kimutathatóan összetett, gyakran egyidejű, sötétben, vagy fényben lejátszódó H2 átalakító reakciók, magukba foglalják mind a H2 felvételét, mind pedig fejlődését belsőleg tárolt anyagokból, külső szubsztrátokból, vagy vízből. A komplexitást fokozza, hogy több különféle enzim is érintett a H2 metabolizmusban, mint például a hidrogenázok (Fe illetve Fe-Ni tartalmú aktív centrummal) és nitrogenázok (ugyancsak különböző fémtartalmú aktív centrummal).

Bioreaktor, az energiatermelés boszorkánykonyhája

bioreaktor

Élő szervezetek közreműködésével zajló biokémiai folyamatok modellezésére, a biológiai anyag (pl. eukarióta vagy prokarióta sejt- vagy szövettenyészetek, vírusok, baktériumok, gombák, sejtszervecskék, enzimek, stb.) vizsgálatára, vagy egyes kívánt anyagok előállítására szolgáló bioreaktorok alkalmazása ma már megszokott gyakorlat.

A hagyományos kémiai reakciókhoz hasonlóan a bioreaktorokban zajló folyamatok is igényelnek energiaellátást. Az energiaellátás formája függ az alkalmazott biológiai anyagtól, nevezetesen attól, hogy a vizsgált élő szervezet milyen típusú energiaellátást képes hasznosítani a végrehajtandó kémiai reakció energiaellátásának érdekében. A bioreaktorok energiaellátását általában valamely tápanyag bevezetésével biztosítják, amelynek metabolizálásával a mikroorganizmusok saját energiaszükségleteit képesek biztosítani, továbbá biztosítja a végrehajtandó kémiai reakció energiaellátását és nyersanyagellátását is.

A fotoszintézis földünk egyik legnagyobb energiamegkötő folyamata, amelynek során növények, vagy más mikroorganizmusok a rájuk eső fény energiáját hasznosítják saját életfolyamatainak ellátásához. A foto-bioreaktorok olyan bioreaktorok, amelyek fotoszintetizálni képes biológiai anyagot tartalmaznak és a bioreaktorban tenyésztett mikroorganizmusok energiaellátását részben vagy egészében a foto-bioreaktorra eső fény biztosítja. A foto-bioreaktorok lehetnek zártak, illetve nyitottak. Zárt foto-bioreaktorok esetén a fény a foto-bioreaktor falán áthaladva jut el a biológiai anyaghoz. A rendszer zártsága miatt nincs közvetlen anyagcsere a környezettel, így ezt a céloknak megfelelően mesterségesen kell biztosítani. Ez lehetővé teszi a steril, axenikus tenyészet fenntartását. A nyitott foto-bioreaktorok közvetlen kapcsolatban vannak a környezetükkel. Ide tartoznak tágabb értelemben a természetes vagy mesterséges tavak is.

A foto-bioreaktorok lehetséges alkalmazási területe igen tág. Egyik leginkább ígéretesnek tűnő foto-bioreaktor felhasználási lehetőség a hidrogéntermelés. Egyes zöldalgákról (például a Chlamydomonas reinhardtii-ról, Scenedesmus obliquus-ról) régóta ismert, hogy a fotoszintézis közben képződött tápanyagaikat bizonyos körülmények között felélve hidrogént termelnek az úgynevezett biofotolízis során. Egészen a közelmúltig, az ily módon kinyerhető hidrogén mennyisége elenyésző volt. Azonban egy speciális eljárás (amely a kén és az oxigén megvonásán alapul) segítségével a keletkező hidrogén mennyiségét nagyságrendekkel lehetséges megnövelni. Ezen folyamat hatékonyságának további növeléséhez szükséges a mikroorganizmusok életfolyamataiba kémiai, illetve molekuláris biológiai módszerekkel beavatkozni. Ilyen beavatkozás például egy molekuláris kapcsoló, amely egy kívánt időpontban kikapcsolja a sejtek fotoszintetikus rendszerét, ezáltal a sejteket tartalék-energiáik felélésére kényszerítheti, amely folyamatok melléktermékként az ember által hasznosítható hidrogént termelnek. Ilyen molekuláris kapcsoló például a kén megvonása a táptalajból.

  • A foto-bioreaktorok olajtermelésre is felhasználhatók. Jelenleg közel háromszáz olyan algafaj ismert (pl. Amphora, Cymbella, Nitzschia, Chlorella fajok), amelyek jelentős olajtartalommal rendelkeznek, teljes sejttömegüknek akár felét is olajok alkothatják, és az ilyen algák nagy tömegű tenyésztése biodízel előállításához szolgáltathat alapanyagot.
  • Bizonyos algafajok, pl. a Spirulina platensis emberi fogyasztásra alkalmas élelmiszer alapanyaga is lehet, így az ilyen algák emberi tápanyag előállítása céljából végzett, foto-bioreaktorokban történő növesztése is fontos alkalmazási terület.
  • A foto-bioreaktorok víztisztítási célokra is felhasználhatók, pl. szennyvizek nehézfémtartalmának csökkentésére.

A zárt foto-bioreaktorok fontos jellemzője, hogy minden környezeti paraméter (fényintenzitás, hullámhossz, hőmérséklet, gázkoncentráció, tápanyag összetétel és mennyiség, szuszpenzió kémhatás és maga a szuszpenzió sűrűség is) mesterségesen beállítható. Ez történhet akár manuálisan (pl. hőmérővel és hűtőközeggel), akár automatikusan (folyamatos vagy rendszeres mintavételezéssel és számítógépes vezérléssel), de mindenképpen fontos, hogy a felhasznált biológiai anyag számára az optimális értékek minél kisebb eltérésekkel való megtartására képes legyen. A túl hideg, illetve túl meleg közeg akár a tenyészet pusztulásához is vezethet. A fény és a hőmérséklet változásai továbbá az algák növekedését és metabolizmusát is befolyásolják, így megfelelő kontroll nélkül a fotobioreaktorok termelése az időben előrehaladva nagy változásokat, kilengéseket mutathat. Összefoglalva a költséghatékony, biztonságos és gyors működés alapvető kritériuma a minél pontosabb szabályozás.

Célunk olyan laboratóriumi fotobioreaktor kifejlesztése volt, amely képes nagy pontossággal, valós időben, a biológiai anyag veszélyeztetése nélkül, in vivo mérni a szükséges paramétereket és azonnal beavatkozni az aktív szabályozásba. Fontos szempont volt, hogy a készülék alkalmas legyen adott esetben előreprogramozott, összetett biológiai folyamatokat (beoltás, felszaporítás, tenyésztés, lefejtés, fenntartás stb.), periodikus biológiai igényeket (tápanyag bevitel) kielégíteni és kiszolgálni. Adott esetben távolról legyen vezérelhető, illetve automatikus működésre is képes legyen, és felügyelet nélkül is működtethető legyen.

A célunk megvalósítása érdekében az eszközt moduláris rendszerűen alakítottuk ki, adott esetben a laboratóriumi igényeknek megfelelő modulokból is összeállíthatóan. A különféle környezeti tényezők befolyásolásához szükséges alrendszerek (hűtés, fűtés, RGB fényforrás stb.) az eszközbe integráltak annak elkerülésére, hogy további eszközöket kelljen alkalmazni a megfelelő működéshez.

Eszközünk egy olyan laboratóriumi fotobioreaktor, mely képes nagy pontossággal, valós időben, a biológiai anyag veszélyeztetése nélkül, in vivo mérni a szükséges paramétereket és azonnal beavatkozni az aktív szabályozásba, hogy az (akár) előreprogramozott, összetett biológiai folyamatokat, periodikus biológiai igényeket (tápanyag bevitel), mintavételezési igényeket kielégítse és kiszolgálja. A vezérlés tehát automatikus, távolról is történhet és felügyelet nélkül is hagyható. Mindezek felül az eszköz alapegysége moduláris rendszerű, így az szabadon skálázható a laboratóriumi igényeknek megfelelően. A különféle környezeti tényezők befolyásolásához szükséges alrendszerek (hűtés, fűtés, többcsatornás fényforrás stb.) az eszközbe integráltak, tehát nem kell további eszközöket munkába állítani a sikeres működéshez. Az általunk kifejlesztett eszköz minden (a szokásos laboratóriumi bioreaktor üzemeltetéshez szükséges) feladatot ellát.

Mit láttunk, amit mások még csak álmodtak?

A H2-termelés szempontjából potenciálisan érdekes és értékes törzseket izoláltunk, összesen 55 db törzset, melyeket a hidrogenáz aktivitáshoz nélkülözhetetlen hidrogenáz gének meglétére molekuláris módszerrel (polimeráz lánc reakció) teszteltünk. A törzseket törzsgyűjteménybe helyeztük, melyekben hosszú távú tárolásuk megoldott, és ahonnan rövid idő alatt aktívan növő folyadékkultúra indítható.

A hidrogénfejlesztés és a fotoszintetikus bioenergetikai folyamatok között fennálló kapcsolatok és kölcsönhatások vizsgálata volt a cél. A törzsek hidrogéntermelő és fényhasznosító hatékonyságát meghatároztuk mesterséges és természetes fényviszonyok között, az algatörzsek részletes szaporodási és hidrogéntermelési jellemzőit dokumentáltuk. Speciális, zárható üvegedényekben dolgoztunk, melyek a gáztér pontos kvantitatív elemzését is lehetővé tették gáz kromatográf alkalmazásával. Továbbá vizsgáltuk a tápközeg pH-jának változását számos körülmény között, a pH érték jó indikátora a redox viszonyoknak a kultúrában, mely redox egyensúly elengedhetetlen a hidrogéntermelés megfelelő körülményeinek megteremtéséhez. A tenyésztés során képződő metabolitokat is vizsgáltuk, elsősorban az etanol, acetát és egyéb szerves savak szintjére voltunk kíváncsiak a különböző körülmények között növesztett törzsek esetében. Nagyon érdekes megfigyelést tettünk, egyes algatörzsek speciális baktériumtörzsekkel szerves kölcsönhatásban rendkívüli módon megnövekedett hidrogéntermelést mutattak.

Teljes genomikai szintű analízist végeztünk a potenciálisan legértékesebb algatörzsek esetében. A cél azon szábolyozó faktorok azonosítása volt, melyek alkalmasak arra, hogy irányított változtatásukkal tudatosan befolyásoljuk a termelődő hidrogén mennyiségét. Különböző növesztési paraméterek mellett (fény, szubsztrátok, hőmérséklet) a gázhozam és a transzkriptom (globális génkifejeződés) változásai közötti összefüggések feltártuk, zöldalgakultúrákban vizsgáltuk a globális génexpresszió dinamikus változását új generációs szekvenáló rendszer alkalmazásával RNA-Seq módszerrel. A hidrogéntermeléssel kapcsolatban álló biokémiai útvonalak kulcsenzimeinek génjeit különös figyelemmel kísértük, ezen gének expressziós változásait részletesen elemeztük. Megvizsgáltuk a baktérium-alga asszociációban történő hidrogéntermelés hátterét RNA-Seq megközelítéssel. Eredményeink azt mutatták, hogy a sejtek redox folyamatait irányító enzimek szabályozása szorosan kapcsolatban áll a hidrogéntermelés megjelenésével mind sötét fermentációs körülmények között, mind fotolízis során (ez utóbbi jelenti a napfény-kapcsolt direkt hidrogéntermelést). Elsősorban a fotoszintetikus rendszerek tagjai mutattak egyértelmű és szignifikáns expressziós változásokat, de számos további érdekes expresszióváltozást figyeltünk meg, melyek jelentősége és relevanciája egyelőre nem tisztázott, de izgalmas tudományos kérdést képviselnek.

A tenyésztési és molekuláris azonosítási kísérletek eredményei alapján a Chlorella és Scenedesmus törzsek egyaránt alanyai lehetnek egy méretnövelt üzemi kísérletnek.

A számos algatörzzsel végzett kísérletes munkák során megfigyeltük, hogy a zöldalga törzsek viszonylag nehezen tarthatóak fenn tiszta kultúraként, nagyon gyakran alakul ki asszociáció, életközösség különféle baktérium törzsekkel. Eleinte ezeket a baktériumokat fertőzéseknek tekintettük és igyekeztünk megszabadulni tőlük, azonban úgy ítéltük meg, hogy a tiszta kultúraként történő fenntartás félüzemi és üzemi körülmények között teljességgel lehetetlen lenne (hiszen labor méretben is komoly erőfeszítéseket igényel). Ezért megkezdtük az alga-baktérium közösségek vizsgálatát, mely nem várt pozitív eredményeket szolgáltatott.

Az ilyen közösségek vizsgálatával feltárt főbb tapasztalatok:

  • Az asszociációkban alkalmazott algatörzsek önmagukban nem termelnek hidrogént normál körülmények között TAP tápban nevelve (csak kén, illetve mangán megvonás hatására).
  • Az asszociációkban megfigyelhető baktériumtörzsek sem termelnek hidrogént önmagukban.
  • Az alga és baktériumtörzsek keveréke nagy mennyiségű hidrogént termel normál körülmények között TAP tápban.
  • A keverék kultúra könnyen fenntartható.

Az Alapítvány kuratóriuma szeretne köszönetet mondani a kutatócsoportnak a sokszor nehéz anyagi körülmények között is kitartó és lelkiismeretes munkáért. Aktív részvételükre továbbra is számít. Az igazán nagyszabású feladatok ugyanis még csak ezután várhatók: az Alapítvány felvette a kapcsolatot skandináv és német kutatóintézetekkel, hogy a megszerzett tudást közösen hasznosítsák és nagyüzemi szintre emeljék a technológiát.

A résztvevők ezúttal köszönik a támogatók pénzügyi és szakmai segítségét is. A projekt a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal (NKTH) támogatásával jött létre.

A cikk szerzője: Litkei Csaba – Tellus Kutatási Közhasznú Alapítvány

You must be logged in to post a comment Login

Megosztás