Техника - молодёжи 1979-08, страница 24

Принципиальная схема устройства для выращивания растении методом хемосинтеза. Катодное пространство, отделенное от анодного разделительной диафрагмой, заполняется раство-

Ком питательных минеральных солей, орень растения, погруженный в раствор, обильно прорастает и образует в нем обширную поглощающую поверхность.

Такой может быть промышленная установка для хемосинтеза. Катод изготавливается в виде пористого угольного блока и заполняет все внутреннее пространство электролизера. Анод — металлическая сетка, расположенная непосредственно в толще катода. А разделительная диафрагма представляет собой пленку, покрывающую сетку анода.

Углекислый газ, необходимый для питания растений, подается через днище электролизера, просачивается по катодным порам и поглощается корнями. Кислород, необходимый для питания корневой системы, просачивается от анода через поры диафрагмы и равномерно насыщает корневую зону.

КятоЭ---

fПО»МС^ы6УГОЛ*МЫМ )

Корпу«

степень его назовем суперретардацией, а сами растения — суперретардантами. Конечно, для промышленного культивирования слишком обременительно получать суперретарданты всякий раз вышеописанным приемом, выращиванием целого растения из одной клетки. Это качество должно быть закреплено наследственно. Осуществить эту задачу — дело генной инженерии.

Проблема гремучего газа

Как известно, этот газ взрывоопасен. Такое свойство может стать неодолимым препятствием для получения хемосинтетиков в промышленных масштабах. Нужны методы, исключающие риск взрыва.

Давайте вспомним, зачем нам нужен был водород.

Растение, окисляя его, получает энергию. А что, если в качестве носителя энергии использовать нечто другое? Допустим, некое специальное вещество?

Обязательным свойством такого вещества-переносчика должна быть способность к обратимому окислению и восстановлению, то есть способность захватывать электроны и отдавать их обратно. Захватив на катоде электролизера электрон, наша молекула доставит его растению и затем передаст другому веществу, содержащемуся в хлоропла-стах. Тем самым она как бы «разрядится» и, вернувшись в исходное состояние, сумеет вновь «повторить» ту же операцию. Веществом, принимающим электроны от переносчика, может быть железосодержащий белок ферредоксин. Это непременный компонент хлоропластов и активный участник фотосинтеза. В фотосинтетическом аппарате он играет роль посредника между хлорофиллом и ферментами, осуществляющими синтез углеводов. Он ловит электроны, выбиваемые световыми квантами из молекул хлорофилла, и передает эти электроны, словно эстафету, никоти-намидадениндинуклеотидфосфату — НАДФ. А он, приняв электрон, заряжается отрицательно и благодаря этому может «отнять» из воды положительный ион водорода. Встретившись в молекуле НАДФ, 0₂ электрон и ион водорода взаимно _м нейтрализуются, образуя при этом ап атом водорода и присоединяя его 'к НАДФ посредством химической связи. Но это соединение неустойчиво и с помощью специального фермента может отщеплять от себя присоединенный ранее атом водорода. Последний, оказавшись свободным, вступает в реакцию биосинтеза. НАДФ при этом возвращается к своему исходному (то есть окисленному) состоянию.

Так происходит извлечение водорода из воды при фотосинтезе. Но ферредоксину в принципе безразлично, от кого принимать электрон : от хлорофилла, возбуждаемого квантами света, или же от переносчика, восстанавливаемого на катоде электролизера. Если применить образное сравнение, то переносчик — это как бы шестеренка, которая встраивается между электролизером и биохимическим механизмом фотосинтеза с тем, чтобы сообщить этому механизму движение. Прежний источник этого движения — свет — заменяется энергией окисления переносчика.

Вот так растение и переключается на хемосинтез.

Разделительная диафрагма

Теперь надо закрыть молекулам — переносчикам электронов путь к аноду. Иначе большая часть получаемых на катоде электронов будет отниматься анодом, то есть теряться бесполезно. Воспретить доступ можно, отделив катод от анода специальной перегородкой — разделительной диафрагмой. Она поделит пространство синтезатора на катодное и анодное.

Чтобы обеспечить электролиз воды, диафрагму^ можно сделать из электропроводного материала. Правда, электропроводность нужна особая — электроны не должны уходить в диафрагму.

Что же делать? Вопрос не покажется столь уж трудным, если вспомнить, что электропроводность может быть обусловлена подвижностью не только электронов, но и ионов. Такие вещества известны. Это ионообменные смолы и бета-глиноземы. Благодаря тому, что какой-то один определенный вид ионов, входящий в их состав, непрочно связан с жестким молекулярным каркасом, ионы могут свободно передвигаться в нем и проходить сквозь диафрагму, изготовленную из такого материала. Диафрагма оказывается проницаемой только для определенного вида ионов.

Для каких ионов она должна быть проницаемой в нашем случае?

Посмотрим, что происходит при электролизе на аноде.

Электролитическое расщепление молекул воды сопровождается здесь образованием свободного кислорода и водорода в виде ионов. Положительные водородные ионы устремляются к отрицательно заряженному катоду. Но чтобы попасть в катодное пространство, они должны проникнуть" сквозь разделительную диафрагму. Следовательно, диафрагма должна обладать избирательной проницаемостью для этого вида ионов.