Современное общество приблизилось к той черте, когда назрела необходимость создания производств, наиболее приближенных по своей сути к природным экосистемам. Учёные всего мира бьются над созданием технологий, позволяющих получить так называемое «замкнутое производство», которое может использовать как отходы собственного производства, так и отходы других производств.

«Здоровая» окружающая среда – это основа благополучного существования человека. Современная техногенная цивилизация привела к увеличению уровня комфорта, но, к сожалению, повлекла за собой стремительное ухудшение экологической ситуации в мире. Одной из наиболее важных экологических проблем является глобальное изменение климата. По мнению учёных, повышение температуры атмосферы Земли примерно на 2 градуса по сравнению с эпохой до развития промышленности может привести к опасным и непредсказуемым изменениям климата. Согласно имеющимся данным мы уже находимся на полпути к этой точке.

В декабре 2015 года Россия приняла участие в Конференции по климату в Париже (COP21), посвящённой климатическим изменениям. Целью данной конференции являлось подписание соглашения «о стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере на уровне, который предотвратит антропогенное вмешательство в климатическую систему». В рамках подписанного соглашения Россия должна разработать долгосрочную стратегию «низкоуглеродного» развития, которая предусматривает снижение выбросов, ограничивающее глобальное потепление на уровне менее 2°С. Подписание Парижского соглашения для России означает сокращение использования ископаемого топлива, поиск альтернативных источников энергии, использование новых технологий в промышленности.

Командой учёных из МГУ было предложено решение, позволяющее получать водород из отходов жизнедеятельности человека, в дальнейшем используемый в качестве источника энергии. Им удалось выделить такое микробное сообщество (в состав которого входили микроорганизмы родов Clostridium, Caldicellulosiruptor, Thermotoga), которое способно утилизировать органическую компоненту отходов производства и потребления и, при этом, эффективно вырабатывать водород.

Суть разработки заключается в следующем. В специально предназначенных для этих целей ёмкостях – ферментерах – осуществляется культивирование продуцирующих водород микроорганизмов на любом органическом субстрате, при этом отбор целевого компонента – водорода – производится непосредственно из среды культивирования. Далее с помощью специально разработанного ферментного электрода происходит перевод водорода, содержащегося в среде культивирования, в электроэнергию.

Андрей Шестаков – научный сотрудник кафедры микробиологии биологического факультета МГУ.

Направления деятельности микробиологической лаборатории под руководством Андрея Шестакова – применение микроорганизмов в различных технологических процессах: биоконверсия целлюлозосодержащего сырья с получением биоводорода, ликвидация нефтяных разливов с применением микроорганизмов, использующих углеводороды в качестве источника питания, разработка микробных препаратов для улучшения состояния микробиоты кишечника человека, в том числе у космонавтов во время полёта.

Командой Андрея Шестакова был проведён скрининг и подбор соответствующих микробных сообществ из природной среды обитания с целью выделения штаммов микроорганизмов, которые могли бы наиболее эффективно утилизировать органические отходы и при этом вырабатывать максимальное количество водорода. Речь идёт именно о микробном сообществе, поскольку отдельно взятые чистые культуры микроорганизмов не способны эффективно осуществлять обе эти функции одновременно. Дело в том, что клеточная стенка растительных клеток (именно растительные клетки являются основным компонентом органических отходов) состоит из полимера – целлюлозы, которая трудно поддаётся гидролизу. В микробном сообществе удалось выделить такие микроорганизмы, которые выделяют ферменты, эффективно расщепляющие целлюлозу на мономеры, и подготавливают её таким образом для дальнейшего использования микроорганизмами, эффективно синтезирующими водород.

Для изучения жизнедеятельности данных микроорганизмов необходимо было искусственно воссоздать условия, наиболее приближенные к естественным условиям их местообитания. С данного рода задачами успешно справляется специально предназначенное для подобных целей оборудование, называемое ферментером компании «БИОТЕХНО». Ферментер представляет собой сосуд, в котором возможно создавать требуемые условия культивирования различного рода микроорганизмов. Данное оборудование позволяет поддерживать необходимую температуру, кислотность, давление, уровень растворённого кислорода, самостоятельно корректируя данные параметры с помощью программного обеспечения системы. Программное обеспечение ферментеров «БИОТЕХНО» имеет интуитивно понятный интерфейс, что позволяет минимизировать трудозатраты на его освоение. Более того, с целью упрощения задач масштабирования технологических процессов управление всеми ферментерами/биореакторами «БИОТЕХНО» осуществляется одним и тем же программным обеспечением – от лабораторных до промышленных.

Культивирование микроорганизмов, отобранных командой Андрея Шестакова, предполагало создание анаэробных условий и повышенных температур. Для поддержания анаэробных условий культивирования, которые подразумевают полное отсутствие кислорода, были использованы специальные типы уплотнений, являющихся непроницаемыми для кислорода, содержащегося в атмосфере; для барботирования среды был использован инертный газ – аргон. Культивирование микроорганизмов проводилось при поддержании постоянной температуры 60°С, что успешно было реализовано путём использования специальной нагревательной пластины, расположенной в основании культурального сосуда, и термоманжеты. Подобные условия, однако, создают значительную нагрузку на все комплектующие оборудования. Андрей отметил, что ферментеры «БИОТЕХНО» с лёгкостью справились и с этой задачей.

Отработка условий культивирования целевых микроорганизмов проводилась как с использованием твёрдого субстрата (бумаги) – так называемое твёрдофазное культивирование, так и раствора простых сахаров в жидкой форме. Особенностью культивирования микроорганизмов на твёрдых носителях является проведение процесса при очень низких оборотах мешалки для обеспечения наиболее подходящих условий прикрепления микроорганизмов к твёрдому субстрату; в противном случае происходит значительное замедление процесса утилизации субстрата. При использовании ферментера «БИОТЕХНО» воссоздать требуемые условия культивирования микроорганизмов на твёрдых носителях команде разработчиков удалось без проблем, несмотря на ряд особенностей технологического процесса.

Исследуемые культуры микроорганизмов помимо водорода производили также углекислый газ и сероводород, который, как известно, обладает повышенной коррозионной активностью по отношению к металлическим деталям ферментера. В данном исследовании у команды Андрея Шестакова уже был печальный опыт использования ферментера, в котором элементы из нержавеющей стали окислились при контакте с подобной агрессивной средой, что привело к срыву ферментации и невозможности проводить дальнейшее культивирование ввиду попадания в среду продуктов окисления металлических деталей изделия. Именно по этой причине к материалам, комплектующим, качеству сборки ферментера, задействованного в данном исследовании, были предъявлены очень строгие требования.

Стоит также отметить, что водород, наряду с другими выделяемыми газами, в данном процессе является продуктом обмена веществ микроорганизмов и при накоплении его в определённых концентрациях способен вызывать ингибирование роста целевой культуры. Именно поэтому так важно было создать такие условия культивирования, которые обеспечивали бы непрерывный отвод токсичных для целевой культуры веществ. Эту задачу успешно удалось решить путём создания непрерывных условий культивирования, позволяющих осуществлять отвод метаболитов при одновременном добавлении питательной среды. Водород улавливался непосредственно из среды культивирования с помощью так называемого ферментного топливного электрода.

Учёным химического факультета МГУ удалось создать электрод, представляющий из себя электропроводный материал с иммобилизованным на нём ферментом – гидрогеназой, выделенной из фототрофного микроорганизма Thiocapsa roseopersicina. При попадании на подобный электрод происходит ферментное расщепление молекулярного водорода с высвобождением двух электронов, которые улавливаются специальными «депо» и при дальнейшем соединении с катодной камерой удаётся получить направленный поток электронов. При этом ввиду небольших размеров ферментов достигается высокая плотность их расположения на материале и, как следствие, высокие плотности тока.

«Могу сказать, что к качеству исполнения оборудования [ферментеров «БИОТЕХНО»] у нас нареканий не возникло. Оно успешно справилось со всеми поставленными задачами», – говорит Андрей Шестаков, научный сотрудник лаборатории микробного синтеза кафедры микробиологии биологического факультета МГУ.