Brændstof til fremtiden:Forskere fremmer en ny metode til produktion af algerbrint

Ændring af den måde, nationen genererer og forbruger energi på, er kernen i et nyt NSF -tilskud tildelt Arizona State University og Kevin Redding, professor på School of Molecular Sciences og direktør for Center for Bioenergi og Fotosyntese (CB&P).

Målet med Redding og hans forskningsgruppe er at opnå algerbrintproduktion i industriel skala, et mål, der kræver en forbedring i forhold til den nuværende teknologi med mindst fem gange.

"Jeg ser ikke brint så meget som et brændstof, men som en vigtig vare, som vi forbruger med en hastighed på over 20 millioner tons om året - og som vi nu laver ved dampreformation af fossile brændstoffer, en proces, der er energikrævende og producerer kuldioxid, "Redding forklaret." Hvis vi kunne erstatte selv en del af det med alge -biohydrogen, der fremstilles via lys og vand, det ville have en betydelig indvirkning. Imidlertid, tilstanden af ​​biobrintfeltet er ikke engang tæt på, hvor det skal være for at være kommercielt levedygtig. "

"Vi troede, at der var brug for nogle radikalt forskellige tilgange - således vores vanvittige idé om at tilslutte hydrogenaseenzymet direkte til Photosystem I for at aflede en stor brøkdel af elektronerne fra vandopdeling (ved Photosystem II) for at lave molekylært brint. "

Det er almindeligt kendt, at planter og alger, samt cyanobakterier, bruge fotosyntese til at producere ilt og "brændstoffer, "sidstnævnte er oxiderbare stoffer som kulhydrater og hydrogen. Der er to pigment-proteinkomplekser, der orkestrerer de primære lysreaktioner i oxygenisk fotosyntese:Fotosystem I (PSI) og Fotosystem II (PSII).

Alger (i dette tilfælde den encellede grønalge Chlamydomonas reinhardtii, eller 'Chlamy' for kort) besidder et enzym kaldet hydrogenase, der bruger elektroner, det får fra proteinet ferredoxin, som bruges til at færge elektroner fra PSI til forskellige destinationer. Algenhydrogenasen inaktiveres hurtigt og irreversibelt af ilt, der konstant produceres af PSII. Det håbes, at forbinder hydrogenasen direkte med PSI vil afbøde problemerne, herunder det faktum, at hydrogenase konkurrerer dårligt om elektroner, og at den inaktiveres af ilt.

"Ved hjælp af det knækkede PSI-hydrogenase-koncept, Andrey Kanygin har formået at producere en konstrueret alge, der giver den bedst vedvarende brintproduktion af enhver alge nogensinde. Arbejder med Alec Smith, en Barrett -stipendiat i CB&P, de har produceret en ny stamme, der har den højeste startrate, der nogensinde er målt, men senere falder det. Med dette tilskud, vi kan forhåbentlig producere en organisme med det bedste af dem begge:høje satser, der opretholdes i lang tid. "

I et fremtidigt kommercielt system, man vil først gerne kunne dyrke cellerne normalt, og derefter skifte dem til en tilstand, hvor de fleste elektroner omdirigeres til fremstilling af brint - i det væsentlige krydser over fra et billigt replikerende system til et "biofaktorium", hvor sollys driver produktion af brint ved hjælp af vand. De foreslåede systemer giver en oplagt måde at gøre det på ved at tænde for generne, der koder for de forbundne PSI-hydrogenase-proteiner. Følgelig, elektroner vil blive omdirigeret væk fra kuldioxidfiksering til brintproduktion.

Partnerskab med Israel

NSF-tilskuddet er en del af U.S.-Israel Binational Science Foundation (BSF). I dette arrangement, en amerikansk videnskabsmand og israelsk videnskabsmand går sammen om at danne et fælles projekt. Den amerikanske partner yder et tilskud til det fælles projekt til NSF, og den israelske partner indsender det samme tilskud til ISF (Israel Science Foundation). Begge agenturer skal acceptere at finansiere projektet for at opnå BSF -finansiering. Professor Iftach Yacoby fra Tel Aviv University. Reddings partner på BSF -projektet, er en ung videnskabsmand, der først startede på TAU for cirka 5 år siden og har fokuseret på forskellige måder at øge algerens biohydrogenproduktion.

"Iftach tager meget forskellige tilgange til dette problem, som jeg ikke ser andre gøre derude. Nogle af hans værker er lidt kontroversielle, men jeg synes, at hans grundlæggende konklusioner er sunde. Vi har talt og talt med hinanden i et par år, men for nylig blev vi klar over, at vores tilgange og færdigheder er meget komplementære. Det er et naturligt partnerskab. Vi arbejder allerede på vores første to fælles manuskripter! "

Udnyt talent fra lokale skoler

Redding indgår også partnerskab med ASU's Global Institute of Sustainability for at udvikle et modul inden for deres Wells Fargo Regional Sustainability Teachers Academy. De arbejder med Molly Cashion og Robert McGehee, Akademiets programkoordinatorer.

Teamet vil udvikle et modul om screening af alger med en agar -overlejringsmetode. De vil oplære lokale mellem- og gymnasielærere i, hvordan man gør dette på akademiet. De behøver kun en mikrobølgeovn og et vandbad for at udføre analysen, og deres elever vil bygge deres belysningsapparater ud af en papkasse ved hjælp af LED -strimler og AA -batterier. Studenterfrivillige vil bringe andet materiale til klasseværelserne og hjælpe lærerne efter behov. Alger dyrkes på tallerkener, dækket med agar blandet med Rhodobacter, og fik lov til at udvikle sig natten over.

Eleverne kan forestille dem næste dag med deres egne telefonkameraer ved hjælp af et lille grønt interferensfilter, som støtten giver. De kan derefter drage deres egne konklusioner om de bedste hydrogenproducerende stammer. Denne plan bygger på begreber fra den næste generations naturvidenskabelige undervisningskoncepter, hvor læring er drevet af elevernes egen nysgerrighed. De får først en kortfattet forklaring først, men som eksperimentet skrider frem, forskerne vil besvare deres spørgsmål om, hvordan tingene fungerer. Eleverne vil blive opfordret til at eksperimentere med forskellige forhold for at opdage de bedste algestammer og hvordan man lokker dem til at lave mere brint. På denne måde, de bliver opdagelsespartnere.