фотосинтез

фотосинтез

Фотобиологическое производство водорода и искусственный фотосинтез для получения экологически чистой энергии: от биотехнологий - к нанотехнологиям#

Аннотация Спрос на энергию в планетарном масштабе быстро растет и вместе с ним растет озабоченность из-за увеличивающегося потребления разных видов топлива и сокращения легкодоступных обычных источников энергии. В настоящее время, вследствие вредного воздействия на атмосферу ископаемых видов топлива и неопределенности в будущем энергетическом снабжении, имеет место огромная заинтересованность в альтернативных не загрязняющих атмосферу источниках энергии. Водород (Н2), как вариант носителя энергии, всегда привлекал всеобщее внимание, так как потенциально это самое легкое безуглеродное топливо с большим выходом энергии на единицу массы, которое удобно запасать. Для производства водорода разработаны несколько методов и технологий, однако они не могут заменить традиционное топливо, которое по настоящее время используют в автотранспорте. Для того, чтобы водород занял свое место в качестве альтернативного эффективного, экологически чистого и дешевого топлива, требуются существенно модифицированные и усовершенствованные методы его производства. Среди нескольких развивающихся подходов и технологий, позволяющих получать возобновляющиеся источники энергии, фотобиологическое производство водорода с помощью аэробных фотосинтетических микроорганизмов (зеленые одноклеточные водоросли и цианобактерии) или искусственный фотосинтез, на наш взгляд, наиболее интересны. В этом коротком обзоре мы обобщаем последние достижения и нерешенные вопросы в области получения водорода посредством биосинтеза и искусственного фотосинтеза.
------------------------
#Данный текст взят и переработан из публикации: Nath K, Najafpour MM, Voloshin RA, Balaghi SE, Tyystjärvi E, Timilsina R, Eaton-Rye JJ, Tomo T, Nam HG, Nishihara H, Ramakrishna S, Shen J-R, Allakhverdiev SI (2015) Photobiological Hydrogen Production and Artificial Photosynthesis for Clean Energy: From Bio to Nanotechnologies. Photosynth Res 126: 237–247

Введение Жизнь - это форма существования материи c высоким уровнем структурной и функциональной организации в пространстве и во времени. Для поддержания жизни необходима энергия. Одним из основных источников энергии для Жизни на нашей планете служит Солнце. Формы Жизни, существующие за счет фотосинтеза - это единственные организмы, способные непосредственно использовать энергию Солнца для синтеза органических соединений. Именно эти организмы обеспечивают Жизнь на планете всем необходимым, включая соединения, которые несут энергию для остальных форм Жизни. Изучение физических, химических, биологических основ процесса преобразования энергии внепланетного источника в энергию, пригодную для поддержания разных форм Жизни, занимает первостепенное значение в структуре научного познания.

Фотосинтез - уникальный физико-химический процесс превращения энергии электромагнитного излучения в энергию химических связей, осуществляемый высшими растениями, микроводорослями и некоторыми бактериями (например, цианобактерии, пурпурные и зеленые серобактерии). В процессе фотосинтеза происходит перенос электронов от донора - восстановителя (вода, Н2S и др.) к акцептору - окислителю (СО2, ацетат) с образованием восстановленных соединений (углеводы) и выделением O2, в том случае, когда окисляется вода.

***
Спрос на энергию в планетарном масштабе быстро растет вследствие увеличения численности населения Земли и ее потребления, следующего из современного образа жизни. Все возрастающее потребление невозобновляемых энергетических ресурсов приведет, в конечном счете, к их истощению. Кроме того, энергетика, полагающаяся только на ископаемое топливо, ведет к катастрофическим последствиям в виде глобального потепления вследствие парникового эффекта, засухи и загрязнения окружающей среды. В качестве альтернативных источников энергии предлагаются виды биотоплива, позволяющие значительно сократить вредные выбросы в атмосферу (Lynd et al. 2009). К сожалению, прогресс в использовании биотоплива привел к накоплению в атмосфере углерода, конкуренции за пищевые ресурсы человека и сельскохозяйственных животных, а также сокращению среды обитания диких животных. Все это явилось следствием превращения земель, занятых лугами, пастбищами и лесами, в земли под урожай, позволяющий получать биотопливо (Searchinger et al. 2008; Rathmann et al. 2010, 2012). Таким образом, энергетическая безопасность является серьезной проблемой, для решения которой необходимо изыскать дешевые, доступные, возобновляемые альтернативные источники энергии. В этом отношении, фотобиологическое получение водорода и искусственный фотосинтез являются перспективными направлениями исследований.
Молекулярный водород - необходимое в промышленности химическое соединение с ежегодным мировым производством более 5х1011 нормальных кубических метров (кубический метр при нормальных условиях - Нм3). Прежде всего, водород востребован в широко распространенных нефтехимических процессах гидропереработки и гидрокрекинга (Ewan and Allen 2005), а также вследствие растущего мирового потребления энергии, которое удовлетворяется, в основном, за счет ископаемых источников и которое, по прогнозам, возрастет на 50% или более к 2030 г. (Maness et al. 2009). Из-за сокращающихся ресурсов, увеличивающихся экологических рисков и ужесточающихся норм атмосферных выбросов, а также неопределенного будущего энергетического обеспечения, существует срочная потребность в дешевых, экологически чистых и эффективных источниках энергии. Водород, простейший и наиболее распространенный химический элемент, удовлетворяет этим требованиям. Он содержит больше энергии на единицу массы по сравнению с другими видами топлива. Его можно достаточно легко получать в виде газа из разных ресурсов (Esper et al. 2006; Kotay and Das 2008; Allakhverdiev et al. 2010 a,b; Allakhverdiev 2012; Najafpour and Allakhverdiev 2012; Azwar et al. 2014; Najafpour et al. 2014b). Наконец, при его сгорании образуется лишь вода. Поскольку водородные топливные элементы более мощные по сравнению с традиционными, газообразный водород можно использовать в качестве топлива на транспорте. Таким образом, водород имеет хорошие перспективы в качестве экологически чистого топлива, как для транспорта, так и для производства электроэнергии на электростанциях (Abraham 2002; Ewan and Allen 2005; Kotay and Das 2008). Водород можно получить из метана в процессе химической реакции, названной "реакцией использующей природный газ" (natural gas services reaction или NGS-реакция). Здесь, атомы водорода в составе молекул метана и воды образуют молекулярный газообразный водород вследствие окисления метана. NGS-реакция является одним из самых важных промышленных процессов во всем мире за последние 6-7 десятилетий (Rostrup-Nielsen 1984) и практически весь промышленный газообразный водород получается в результате этой реакции. По сегодняшний день производство водорода посредством NGS-реакции зависит от ископаемых источников энергии, поэтому полученный таким образом водород в качестве топлива не выдерживает критики (Pena et al. 1996).
Известны несколько процессов, в которых используются химические реакции похожие на те, что применяют в переработке природного газа, включая газификацию и возобновляемое преобразование жидкостей (спирт или биотопливо). В этом случае субстратом могут служить как ископаемое топливо, так и биомасса. Водород можно также получать в результате расщепления молекул воды при высокотемпературном термохимическом расщеплении (high-temperature thermochemical water splitting - HTWS) и электрохимическом расщеплении в процессе ядерного высокотемпературного электролиза (nuclear high-temperature electrolysis - NHTE). Наконец, водород можно получить в результате светозависимого расщепления воды, в котором энергия предоставляется солнечным светом (Allakhverdiev et al. 2009, 2010a; Maurino and Weber 2013).
Солнечный свет является наиболее распространенным и доступным источником неисчерпаемой энергии (Allakhverdiev et al. 2009). Таким образом, эффективное использование солнечной энергии для создания дешевых систем, способных превращать солнечный свет в химическую энергию, запасенную в топливе, например водороде, несомненно представляет интерес. То, что при сгорании водорода образуется одна вода, позволило бы сократить атмосферные выбросы в виде СО2 и несгоревших углеводородов. В настоящее время создается широкий спектр экологически чистых технологий для экономичного производства водорода из целого ряда ресурсов (Allakhverdiev et al. 2010b; Allakhverdiev 2012; Najafpour and Allakhverdiev 2012; Maurino and Weber 2013). Повышенное внимание среди них привлекает высокая скорость фотобиологического получения водорода с помощью аэробных фотосинтетических микроорганизмов (Bandyopadhyay et al. 2010).
По сравнению с другими появляющимися возобновляемыми источниками "зеленой" энергии водород занимает выдающееся место как многообещающая альтернатива следующего поколения. Несмотря на то, что уже разработаны разные виды водородных топливных элементов, для того чтобы они смогли заменить существующий традиционный двигатель внутреннего сгорания, необходимо решить несколько технических проблем. Таким образом, большинство из приведенных выше технологий требуют дорогостоящих модификаций, прежде чем они смогут использовать водород в качестве будущего экологически чистого источника энергии.
В настоящем обзоре мы обсуждаем два подхода к получению водорода (фотобиологическое производство и искусственный фотосинтез), а также его роль в энергетическом секторе. Вследствие возможности сокращения вредных выбросов, существует постоянно растущий интерес к водородной энергетике. Тем не менее, главный вопрос остается открытым: возможно или нет широкое использование водородной энергетики для покрытия четверти всех транспортных потребностей в планетарном масштабе?

Производство водорода микроорганизмами

Фотосинтез, прямо или косвенно, является стержневым процессом в биологической продукции водорода. Хотя с момента открытия водородного метаболизма у зеленых водорослей прошло уже более 70 лет (Gaffron 1939), они и цианобактерии являются единственными известными организмами, осуществляющими как аэробный фотосинтез, так и производство водорода (Schu¨tz et al. 2004). Эти организмы являются привлекательной будущей альтернативой, так как имеют меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с современными энергосистемами, зависящими от ископаемового топлива (Melis and Happe 2001; Allakhverdiev et al. 2009; Hemschemeier et al. 2009; Allakhverdiev et al. 2010b). Известны несколько групп микроорганизмов, которые способны производить водород с помощью гидрогеназ и нитрогеназ. Среди них эукариотическая зеленая водоросль Chlamydomonas reinhardtii и прокариотические цианобактерии Cyanothece и Anabaena, а также анаэробные фотосинтетические бактерии Rhodopseudomonas palustris (Bandyopadhyay et al. 2010). Цианобактерии производят водород с участием как гидрогеназ, так и нитрогеназ, в то время как у зеленых водорослей в этот процесс вовлечены только гидрогеназы (рис. 1).




Рис. 1. Биопродукция водорода цианобактериями и зелеными водорослями. Цианобактерии и зеленые водоросли производят водород с помощью действующих в двух направлениях ферментов, гидрогеназ. NiFe-гидрогеназа цианобактерий (а) состоит из пяти субъединиц (HoxE, HoxF, HoxH, HoxU и HoxY). Возможно, что она функционирует как димер или пентамер. FeFe-гидрогеназа водоросли (b) состоит из одного белка (HydA). В клетке реакция, катализируемая двунаправленными ферментами, близка к равновесию и гидрогеназа катализирует как выделение, так и расщепление Н2. Фермент водоросли использует восстановленный ферредоксин в качестве донора электронов, однако по поводу донора электронов фермента цианобактерий единого мнения нет. Азот-фиксирующие цианобактерии производят водород с помощью нитрогеназы (с). Показаны восемь субъединиц нитрогеназы (2 α-, 2 β-субъединицы и 4 субъединицы редуктазы нитрогеназы - NR). Водород, генерируемый нитрогеназой, расщепляется поглощающей гидрогеназой (uptake hydrogenase), состоящей из субъединиц HupL и HupS. От гидрогеназы электроны переходят в пластохиноновый пул, а протоны в люмен тилакоидов, где используются в синтезе АТР. С частичной модификацией по Allakhverdiev et al. (2009).


У аэробных фотосинтетических организмов солнечный свет поглощается светособирающими комплексами (light-harvesting complex - LHC), ассоциированными с фотосистемой II (PSII) и фотосистемой I (PSI) (Nath et al. 2013a, b). Таким образом, аэробные организмы, производящие водород, используют электроны PSI для получения ферредоксина (FdRED), который, в свою очередь, предоставляет электроны для получения или водорода, или NADPH (рис.2). Гидрогеназы используют восстанавливающий агент для непосредственного восстановления протонов до H2. Клетки, содержащие нитрогеназы, получают восстанавливающий агент при окислении органических углеродных соединений, синтезирующихся в процессе фотосинтеза (Bandyopadhyay et al. 2010). Помимо цианобактерий и зеленых водорослей, анаэробные фототрофные бактерии производят водород из органических соединений, используя солнечную энергию (Rey et al. 2007). Таким образом, при получении водорода анаэробными фотосинтетическими организмами протоны предоставляются органическим веществом, а солнечный свет предоставляет часть свободной энергии необходимой для протекания реакции (Bandyopadhyay et al. 2010).





Рис. 2. Схематичная модель пути фотосинтетического электронного транспорта в тилакоидных мембранах, подтверждающая идею генерирования Н2. Прежде всего, электроны, полученные вследствие фотолиза воды, захватываются PSII и переносятся в Z-схеме. Реакционный центр PSII, активированный светом, извлекает электроны из воды и последовательно переносит их на пластохинон (PQ), цитохром b6f (Cyt b6f), пластоцианин (PC) и, в конечном счете, на PSI, которая находится в окисленном состоянии в результате действия света. На линейной схеме электронного транспорта у зеленых водорослей и цианобактерий электроны от светоактивированной PSI используются для восстановления ферредоксина (FdRED), который, в свою очередь, предоставляет электроны для синтеза NADPH (сплошная красная стрелка), и/или для продукции биоводорода в присутствии FeFe-гидрогеназы (пунктирная красная стрелка). Воспроизводится с разрешения Allakhverdiev et al. (2010a, b). Copyright (2010) by Elsevier. Часть рисунка адаптирована из Maness et al. (2009).


Естественный фотосинтез как путеводитель на пути к созданию искусственного фотосинтеза с целью получения экологически чистой энергии

Растения дают человеку пищу, волокно, убежище, кислород и топливо, благодаря аэробному фотосинтезу. В этом отношении жизнь на нашей планете полностью зависит от фотосинтеза. Естественный фотосинтез включает серию окислительно-восстановительных реакций характерных для хлорофилл-содержащих организмов от цианобактерий до высших растений, в которых поглощается энергия излучения солнца, превращающаяся в химическую энергию (Arnon 1959; Bjorkman and Demmig-Adams 1995; Eberhard et al. 2008). Молекула хлорофилла при попадании на нее фотона возбуждается, поглощая энергию (Muller et al. 2001). Свет при фотосинтезе поглощается в листьях хлорофилл-связанными светопоглощающими комплексами, ассоциированными с PSI и PSII (Muller et al. 2001; Bjorn et al. 2009). Энергия света, поглощенная молекулами хлорофилла, передается далее от молекулы к молекуле и, в конце концов, попадает на реакционный центр, в котором происходит разделение зарядов (Huner et al. 1998). Часть солнечной энергии, поглощенной молекулами хлорофилла, может повторно излучаться в виде флуоресценции (Flexas et al. 2000; Maxwell 2000; Flexas et al. 2002; Freedman et al. 2002; Zarco-Tejada et al. 2003; Soukupova´ et al. 2008; Rascher et al. 2010; Porcar-Castell 2011; Garbulsky et al. 2013). Сущность процесса фотосинтеза заключается в краткосрочном сохранении энергии света в химических связях ATP и NADPH во время световых реакций и превращении сохраненной энергии в темновых реакциях в долгосрочный энергетический запас в виде химических связей таких молекул как глюкоза (Allen 1975; Whitmarsh 1999; Baker 2008; Eberhard et al. 2008; Arau´jo et al. 2014). По этой причине, фотосинтез - единственный источник энергии для всего живого на планете.
Как сообщалось, в США выращивание культивируемых растений с целью получения биотоплива увеличивает выход парниковых газов вследствие изменения землепользования (Searchinger et al. 2008). По-видимому, приходит время подумать об альтернативных путях получения экологически чистой энергии необходимой для обеспечения энергетических потребностей в мировом масштабе. При биологическом фотосинтезе фотолиз воды в тилакоидных мембранах обеспечивается энергией солнечного излучения, а превращение световой энергии в химическую приводит к восстановлению CO2 до уровня углеводородов. Фотосинтетическое расщепление воды, сопряженное с катализируемым гидрогеназой производством водорода, представляет собой многообещающий возобновляемый источник экологически чистой энергии (Allakhverdiev et al. 2009).

Получение водорода при искусственном фотосинтезе

Джиакомо Сиамисиан, вдохновленный процессом фотосинтеза у растений, первым предложил заменить ископаемую солнечную энергию энергией солнечного света (Ciamician 1912). Не так давно его взгляды вновь привлекли внимание исследователей из разных областей науки. Таким образом, создание искусственных систем, основанных на принципах естественного фотосинтеза, таких как "искусственный лист" (Nocera 2012) становится перспективным в решении проблемы получения в будущем чистой энергии. Процесс естественного фотосинтеза можно разделить на две реакции: 1) фотоокисление молекул воды во время световой реакции, в которой высвобождаются протон и кислород; 2) восстановление углекислого газа во время темновой реакции, в которой углекислый газ превращается в глюкозу. Недавно были представлены несколько искусственных фотосинтетических систем с целью получения фотокатализаторов отдельно для 1-й и 2-й реакций. Понятно, что в фотосинтезе важны обе части единого процесса, однако в настоящем обзоре мы обсуждаем техническую имитацию светозависимой половины процесса фотосинтеза для эффективного фотосинтетического получения водорода (схема 1). Использование более эффективных катализаторов вместе с соответствующими фотосенсибилизаторами может направлять свет на восстановление протонов и, как полагают, такая схема светозависимой продукции H2 может применяться для получения безуглеродного солнечного топлива (схема 1). В этом случае протоны, полученные в результате расщепления воды, могут использоваться для продукции водорода. Здесь, естественный фотосинтез является основой для искусственного фотосинтеза в смысле применения фундаментальных принципов природного процесса (Gust et al. 2009).



Схема 1. Схематическое изображение получения водорода при искусственном фотосинтезе. Воспроизводится с разрешения Gust et al. (2009).


В системе искусственного фотосинтеза необходимо выделить следующие составляющие:
1. Эффективное поглощение фотона солнечного света.
2. Формирование состояния разделенных зарядов.
3. Перенос электрона к восстанавливающему катализатору.
4. Катализаторы, принимающие и аккумулирующие электроны. Катализаторы должны восстанавливать соединения подобные N2, CO2 или H2O до других подходящих соединений, таких как NH3, (CHO)n, или H2.
5. Перенос электрона от окисленного катализатора.
6. Субстрат, предназначенный для окисления окисленным катализатором. После накопления заряда окисленным катализатором должен окисляться субстрат, электроны которого, переходя на другие соединения, их восстанавливают. Таким образом, для окисления необходимо дешевое соединение подобное воде.
В искусственной фотосинтетической системе события одноэлектронного переноса сопрягаются с накоплением заряда и, затем, с каталитической реакцией. Эти катализаторы могут использоваться в фотохимических, электрохимических или фотоэлектрохимических устройствах для расщепления воды. Конструкция искусственных фотосинтетичесих систем обычно представляет собой молекулу фотосенсибилизатора прикрепленную к полупроводнику. В таком устройстве разделение заряда происходит при освещении путем переноса электрона от фотовозбужденного хромофора к зоне проводимости полупроводника. При этом необходимо достаточно длительное состояние разделенных зарядов, для того чтобы хромофор имел возможность принять электрон от катализатора. После нескольких событий разделения зарядов и переноса электрона на катализатор последний заполняет дырки, принимая электроны от субстрата. Электроны субстрата используются для восстановления других молекул за счет восстановления катализатора.
Многие комплексы металлов и органических соединений способны переносить возбужденные электроны к акцептору (Adamson and Demas 1971; Gafney and Adamson 1972). В этом отношении среди других соединений интересен tris(bipyridine)ruthenium(II) ion [Ru(bpy)3]2+. Этот комплекс может выступать в качестве хлорофилла реакционного центра (схема 2) (Maitra et al., 2014).
У этого и других подобных комплексов металлов наблюдается поглощение в видимой области (около 450 нм). При освещении возбужденный электрон переходит с t2g орбиты на лиганд-центрированную орбиту. Возбужденная молекула переходит в долгоживущее триплетное состояние 3[Ru(bpy)3]2+*, обладающее потенциалом одноэлектронного переноса. Такое возбужденное состояние имеет достаточно длительное время жизни, для того чтобы прореагировать с акцептором. Интересно, что 3[Ru(bpy)3]2+* является более реактивным по сравнению с [Ru(bpy)3]2+*. Таким образом, возбужденный комплекс можно использовать в качестве окислителя или восстановителя так, как показано на схеме 2.


Схема 2. Сравнение реакций, вовлеченных в процесс выделения кислорода из воды в присутствии [Ru(II)(bpy)3]2+ (а) и хлорофилла и излучения солнца (b) (Najafpour 2011).

Природа использует два суперкатализатора для восстановления протонов и окисления воды. Гидрогеназы, включающие железные или железо-никелевые кофакторы, представляют собой семейство метало-серных ферментов, которые окисляют молекулярный водород и восстанавливают протоны до H2 вблизи термодинамического потенциала с высокой частотой оборота (100-10000 молей Н2 на моль катализатора в секунду) (Concepcion et al. 2008).
В природе также существует суперкатализатор окисления воды. В 2004 г. группа Дж. Барбера и С. Ивата обнаружила три иона Mn и один ион Ca, образующих в водоокисляющем комплексе PSII вытянутую кубан-подобную структуру CaMn3(µ-O)4 с четырьмя кислородными мостиками (Ferreira et al. 2004). Четвертый Mn-ион соединялся с кубом посредством связи с одним из кислородных мостиков и оставался, таким образом, подвижным. В 2011 г. Шен и Камийя выяснили подробную структуру этого катализатора, обнаружив, что пять ионов металлов соединяются мостиками из пяти атомов кислорода (Umena et al. 2011). Кроме этого, они обнаружили, что две молекулы воды координируются с атомом Са, а две других - со свободным атомом Mn (Mn(4). Такая структура предполагает, что кластер Mn-Ca можно представить в виде формулы Mn4CaO5 (H2O)4. Недавно эти же исследователи представили структуру катализатора, которая не повреждена облучением (Suga et al. 2015).
Поскольку естественный фотосинтез - высокоэффективный процесс по причине высокой эффективности ферментов в нем участвующих, он является моделью для искусственных фотосинтетических систем созданных для получения водорода как альтернативного экологически чистого топлива. Помимо продукции водорода, окисление воды до О2 также является важным, потому что предоставляет электроны для восстановительных реакций.
Одна из разнообразных задач нанотехнологии состоит в том, чтобы сконструировать и синтезировать эффективные катализаторы (Limburg et al. 1999; Chou et al. 2012). С новой точки зрения кластеры атомов железа или марганца можно рассматривать как частицы нано-размера, внедренные в белковый матрикс, при этом фермент можно рассматривать как своего рода нано-машину. На основе разных стратегий нанотехнологии были получены многие катализаторы. Примерами могут служить оксиды металлов или композиты с органическими соединениями с разной морфологией и высокой активностью по сравнению с большинством катализаторов.
Показано, что если нанокластеры золота модифицировать самособирающимся монослоем димера дисульфида порфирина, они будут улавливать солнечный свет (Imahori et al. (2003).
В искусственном фотосинтезе можно использовать биомолекулы и матрицы. Nam с оавт. (Nam et al., 2010) и Belcher представили наноструктуру, основанную на биоматрице и предназначенную для светозависимого (видимая часть спектра) окисления воды. Для совместной сборки Zn-порфиринов и кластеров гидрозоля оксида иридиума (катализатор) они использовали генетически модифицированный скэффолд вируса М13.
Недавно были предложены несколько биомиметических подходов для фотокаталитического окисления воды и генерации H2 и O2 (Allakhverdiev et al. 2010a; Najafpour et al. 2014b). Как упоминалось выше, естественный фотосинтез является основой для создания искусственных фотосинтетических систем, способных превращать солнечную энергию в другие виды энергии. Для эффективного производства энергии при искусственном фотосинтезе необходимо использовать несколько материалов, применяя при этом фундаментальные принципы природного процесса (Gust et al. 2009).

Перспективы и нерешенные вопросы, которые предстоит решить.

Несмотря на впечатляющее увеличение эффективности современного энергетического оборудования, наблюдается постоянно растущий глобальный спрос на энергию. Таким образом, для его удовлетворения необходим поиск источников дешевой энергии, имеющейся в необходимом количестве. Вследствие неопределенности и двойственного отношения к биоэнергетике среди политиков и обычных людей, этой области не всегда уделялось достаточное внимание, которого она, несомненно, заслуживает. Отсюда следует, что необходимо пересмотреть наши возможности и проблемы, стоящие на пути к масштабному производству биоэнергии, а также способы их преодоление. Наши знания о фотосистемах значительно расширились за последние несколько лет, однако они все еще недостаточны для того, чтобы реализовать мечту о биоэнергии как основном энергетическом источнике планеты. В этом отношении существенным является лучшее понимание природных фотосистем, а также их имитации, для создания эффективных искусственных фотосистем, способных производить чистую энергию. Несмотря на проблемы, можно полагать, что в будущем существенная часть энергии будет производиться за счет прямого превращения энергии солнечного света в необходимый для экономики вид энергии.
Поскольку для природного фотосинтеза требуются большие пространства, для того чтобы обеспечить пищей растущее население Земли, аквакультура растений, водорослей и цианобактерий - очевидное решение, так как эти организмы могут производить биотопливо, не конкурируя за посевные площади с пищевыми растениями. Необходимы исследования, чтобы понять какие штаммы или виды дают наибольший энергетический выход в конкретных условиях. Способность С. reinhardtii производить Н2 с участием гидрогеназы хорошо известна, однако кислород-чувствительная гидрогеназа тесно связана с фотосинтетической цепью и, поэтому, продукция водорода и кислорода должна быть разделена во времени. Водород у этой водоросли может генерироваться при недостатке серы и такие схемы представляют собой новый взгляд на промышленное производство Н2. Исследования искусственного фотосинтеза необходимо сконцентрировать на создании комплексов катализатора и сенсибилизатора, позволяющих производить на свету безуглеродное водородное топливо. Катализаторы различных реакций не должны ограничиваться лишь имитацией природных фотосистем. Необходим поиск новых соединений и методов. Тем не менее, нужно учитывать фундаментальные принципы природных систем, поскольку их совершенство было достигнуто в результате миллионов лет эволюции.

Использованные сокращения: Chl - хлорофилл, CO2 - двуокись углерода, CH4 - метан, FdOX - окисленная форма ферредоксина, FdRED - восстановленная форма ферредоксина, H2 - водород, PSI и PSII – фотосистема I и фотосистема II, LHCs - светособирающие комплексы, NGS Natural gas reformation reaction, HTWS - высокотемпературное термохимическое расщепление воды, NHTE - ядерный высокотемпературный электролиз, Нм3 - нормальный кубический метр, TEM - трансмиссионная электронная микроскопия, HRTEM - трансмиссионная электронная микроскопия высокого разрешения, WOC - водоокисляющий комплекс