Химия. Образование водорода происходит в живых клетках в про­цессе фотосинтетического расщепления воды в ходе фотохимических светочувствительных реакций с использованием водородных доноров, иных, чем вода (например, соли или эфиры яблочной кислоты, ацетаты), а также в ходе различных других катаболических реакций, таких, как анаэробное разложение. Мы рассмотрим только первый тип реакции, так как второй тип предполагает использование уже готовых органиче­ских молекул, а третий тип частично затронут в разделе, описывающем разложение, где образование водорода/представлено как нарушение хода процесса.

В идеале биофотолиз представлен следующим уравнением: 2Н2О + hv 2Н2 + 02 dG = + 113,4 ккал.

Одновременное выделение кислорода и водорода усложняет дело, так как получаемая смесь является взрывоопасной, а также. вследствие необходимости разделения двух газов.

В микроорганизмах образование водорода происходит при участии гидрогеназы. Высшие растения не имеют этого фермента в своем фото­синтетическом аппарате и не образуют водорода; однако внутриклеточ­ный экстракт из высших растений при добавлении активного препарата гидрогеназы выделяет водород. Обычно фотолитическое образование водорода в природе не происходит, но оно может быть вызвано, напри­мер, азотным голоданием сине-зеленых водорослей и манипулированием с бесклеточными системами. По литературным источникам, получение водорода предполагает использование клеток или экстрактов высших растений, сине-зеленых водорослей, зеленых и других водорослей, а также фотосинтетических бактерий.

Технология. Даже на лабораторном уровне не удалось продемон­стрировать практического метода получения чистого водорода на основе биофотолиза. Сине-зеленые водоросли выделяют смесь водорода и кис­лорода с эффективностью около 1 %, а внутриклеточные экстракты высших растений — с еще более низкой эффективностью [35]. Все системы характеризуются недостатком стабильности, так как в целых клетках необходимое условие азотного голодания ослабляет организмы и происходит потеря фотосинтетического пигмента. Период жизни внутриклеточных систем недолог вследствие воздействия ферментов на структурные липиды и белки, а также вследствие повреждения, вызы­ваемого действием света и свободных радикалов. Сама гидрогеназа так­же нестабильна.

Все целые клеточные системы характеризуются необходимостью сохранения физиологического состояния всего клеточного аппарата; это ведет к чрезмерному потреблению энергии, в результате чего наблю­дается падение эффективности фотолитической реакции. Здесь необхо­дим поиск очень тонкого и точного равновесного состояния. В-настоя­щее время изолирование внутриклеточных систем представляется за­труднительным, и в долгосрочном плане они менее стабильны, чем це­лые клеточные системы; современные исследования посвящены поис­кам методов стабилизации этих систем. Как системы целых клеток, так и однофазные внутриклеточные системы, испытанные до настоящего времени, образуют смесь водорода и кислорода. Разделение реакций выделения водорода и кислорода теоретически возможно путем исполь­зования промежуточного носителя окислительно-восстановительного потенциала, регенерирующего водород с использованием гидрогеназы, однако такой носитель до сих пор не найден.

В заключение следует сказать, что биологические методы производ­ства водорода на свету применяются только пока в лабораториях. Прак­тическая технология может появиться только через несколько десяти­летий после проведения фундаментальных исследований в этой области.