Wodór pozyskiwany z bakterii

Złoża ropy, węgla i gazu kiedyś się skończą, dlatego warto poszukać alternatywnych źródeł energii. Takim paliwem jest wodór, stanowi on niewielki procent atmosfery, ale jest produkowany przez bakterie. Są to bakterie chemosyntetyzujące, beztlenowe, w wyniku ich oddychania powstaje wodór:
Wodór wydziela ie w czasie utleniania amoniaku NH4++ 1,5 O2= NO2- + H2+ H2O + 2ATP.
Związków siarki S+1/2O2+H2O=SO42-+2H++ATP utlenianie jednowęglowych związków organicznych
 CH4+1/2O2=CH3OH=CHOH+2H CHOH+H2O=2HCOOH=2H+CO2
Są tu bakterie siarkowe i utleniające azotany.
Bakterie, które produkuja wodór to:
-Clostridium botulinum
C6H12O6+H2O=C3H4(COOH)3+2H2CO3+2H2
-Nitrosomonas sp., Nitrosycystis sp. 
NH4++ 1,5 O2= NO2- + H2+ H2O + 2ATP
-Thiobacillus sp.
 H2S+1/2O2=S+H2O+2ATP
S+1/2O2+H2O=SO42-+2H++ATP
-Methylocystis sp. Methanomonas sp.
CH4+1/2O2=CH3OH=CHOH+2H
CHOH+H2O=2HCOOH=2H+CO2
Laseczka jadu kielbasianego Clostridium botulinum jest beztlenenowa, nie ma rzęsek, njalepiej czuje sie w 24-33 stopniach na lekko kwaśnej odzywce.
Nitrosomonas to beztlenowa bakteria uczestnicząca w procesie nitryfikacji, w tym procesie nie wytwarza się wodór cząsteczkowy, tylko jony wodorowe, które ktoś z innej dziedziny niż moja mógłby jakoś wykorzystać w przemyśle paliwowym. Nitrosomonas ma 4 gatunki Nitrosomonas europaea,  Nitrosomonas javanensis, Nitrosomonas groningensis, Nitrosomonas monocella, gram-ujemne, zyją w wodzie, sciekach, glebie, na scianach budynków, lubią zanieczyszczone obszary z dużą ilościa azotu, dlatego może słuzyć bioremediacji.
Thiobacillus sp. Acidithiobacillus sp. żyje we złożach pirytu, w rzekach, kanałach, zakwaszonych glebach, ściekach, kopalniach i na obszarach górniczych, metabolizuje związki siarki i żelaza, w górnictwie przy ich pomocy pozyskuje się z rudy metale-bioługowanie, są kwasolubne, samozywne, żyja pojedynczo, w dwoinkach lub złączone w nitkowate kolonie są łatwe i izolacji i hodowli.
 Methylocystis  np. Methylocystis parvus bezwzględny metanotrof, żyje w ściekach, rozkłądającej sie materii organicznej.
Methanomonas sp. zyje w wodzie, złożach gazu i ropy naftowej, sa gram-ujemnymi pałeczkami.
Cyanothece 51142 tlenowa sinica zdolna wiązać azot, za dnia przeprowadza fotosyntezę produkując tlen, w nocy wiąże azot, na każą cząsteczkę związanego azotu wydziela cząsteczkę wodoru, produkowany za dnia glikogen powstający z fotosyntetyzowanej glukozy nocą jest zużywany do wiązania azotu, za dnia azot jest wiązany w enzymy potrzebne do syntezy glikogeny, zużywany w metabolizmie glikogenu tlen tworzy nocą środowisko beztlenowe gdzie zachodzi wiązanie azotu.
Produkcja wodoru przez sinice: procesem pośrednim fotosyntezy sinic jest fotoliza pośrednia, sinica wiążą N2 do amoniaku, pierwszym etapem fotolizy pośredniej jest fotosynteza, czyli włączenie CO2 do glukozy, dwutlenek węgla to nosnik elektronów, protony powstają w wyniku rozpadu wody, 2 etap to fermentacja węglowodanów zachodzi pod wplywem światła w fotosytemie PSI, białka z PSI przenoszą elektrony z cukru na ferredoksyne pod wpływem światła, tu działają enzymy: nitrogenaza i dehydrogenaza NiFe pobierająca, która rozkłada cząsteczkę H2 na 2 protony i 2 elektrony i dehydrogenaza NiFe prowadząca dwukierunkową reakcję H2=2H++2e-, nitrogenaza katalizuje redukcję N2 do amoniaku z redukcja protonu i uwolnieniem H2
N2+8H++8e-+16ATP=2NH3++H2+16ATP+16Pi
Nitrogenaza to kompleks bialkowy z reduktazy dinitrogenazay (białka Fe) zrobionej z dinitrogenazy (białka moFe) Heterotetramer α2β2 łańcuch α jest kodowany przez geny nifD, łańcuch β przez nifK  oraz 2 podjednostek białkowych kodowanych przez geny nifH. Dinitrogenaza reduktazy odbiera elektrony od ferredoksyny (zewnętrznego reduktora) przekazując je dinitrogenazie, która przeprowadza główną reakcję 2H++2e-=H2+4ATP+4Pi
Reakcje te są też u rodzajów Nostoc, Anabaena, Oscillatoria i Calothrix. Hydrogenaza skłąda się z białek HupL i HupS i towarzyszy nitrogenazie. Zarówno zdolne jak i niezdolne do syntezy N2 sinice mają hydrogenazę robiącą dwukierunkową reakcję, ma ona 2 podjednostki-diaforaza zbudowana z białek HoxU i HoxF, która odbiera e- z NADPH i hydrogenazy z HoxH i HoxY usuwającej nadmiar siły redukującej przy braku tlenu, tu są Synechoccocus sp., morskie, kokoidalne sinice żyjące w parach, Microcystis sp. okrągłe, kolonijne, słodkowodne sinice, Gloeobacter sp. siostrany rodzaj reszty sinic bez tylokaidów i Aphanocapsa sp. okrągłe, kolonijne sinice.
W beztlenowych warunkach i glony m. in. należące do królewstwa roślin zielenice potrafią wydzielać wodór na drodze biofotolizy bezpośredniej. Tu światło rozbija wodę na tlen i wodór 2H2O=2H2+O2 jest u np. mającej jeden chloroplast i 2 wici Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella fusca i wrzecionowatej, kolonijnej, jednokomórkowej Scenedesmus obliquus. Światło absorbuje transbłonowy kompleks polipeptydów PSII, który kieruje elektrony z wody do plastochinonu
2PQ (utl. plastochinon)+2H2O=2PQH2  (zred. plastochinon)+O2 
Cytochrom bf przenosi e- na plastocyjaninę, PSI przenosi je na ferredoksyne, dehydrogenaza odbiera e- ze zred ferredoksyny i redukuje protony H+, powstaje H2, w warunkach tlenowych jest on wykorzystywany do redukcji CO2, kilka minut lub godzin w warunkach beztlenowych powoduje indukcje białek odp. za prod H2, gł. hydrogenazy, te białka to enzymy katalizujące reakcje. Gdy sinicom brakuje siarki (pierwiastek potrzebny m. in. do powstania metioniny i cysteiny oraz utrzymania wyższych rzędów struktur białek) jest zahamowana synteza białka D1, która jest podjednostką PSII, spada absorpcja CO2 i produkcja O2 wydziela się H2, synteza wodoru daje syntezę ATP.
Beztlenowe bakterie uwalniaja wodów wyniku fermantacji np. fermentacja masłowo-butanolowa u organizmu Weizmanna Clostridium acetobutylicum gdzie wodór jest gdy oksydoreduktaza ferredoksynowo-wodorowa utlenia zredukowaną ferrefdoksynę (FdH) do utlenionej ferredoksyny Fd, wtedy uwalnia sie wodór, jest to jeden z etapów wieloetapowej fermentacji glukozy prowadzącej do powstania maslanu i butanolu. Tu oksydoreduktaza pirogronianowo-ferredoksynowa utlenia pirogronian do Acetylo-Co-A redukując ferredoksyne, któa ma centrum siarkowo-żelazowe (4Fe-4S) połaczone mostkami siarczkowymi, Acetylo-co-A jest prekursorem produkcji kwasów organicznych, alkoholi itd. Ferredoksyna może byc zredukowana przy pomocy oksydoreduktazy ferredoksynowej-NADPH przy utlenieniu NADPH doNAD+, potem jest reakcja gdzie uwalnia się H2 ferredoksyna red (FdH)=Ferredoksyna utl (Fd)+H2 hydrogenazy przenoszą e- z wewnętrzkomórkowych nosników e- na H+ tu diałaja enzymy PFOR i NFOR. Gdy cisnienie H2 jest większe niz 60 Pa jest hamowana aktywność NFOR tu jest równowaga międze zred i utl ferredoksyną i NADPH, powstają maslan, mleczan, etanol itd. PFOR jest aktywowane gdy P H2 wynosi 3x10do4 Pa, im mniejsze cisnienie H2 tym wydajniejsza jego produkcja.
Fermentacja kwasów mieszanych jest u Enterobacteriaceae gramm-ujemnych pałeczek jelitowych m. in. u Escherichia coli. Ta rodzina fakultatywne beztlenowce. Z glukozy na drodze glikolizy powstaje fosfoenolopirogronian, z niego pirogronian, w warunkach beztlenowych lub przy niedostatku tlenu liaza pirogronianowo-mrówczanowa PFL rozkłada go do mrówczanu i Acetylo-Co-A, mrówczan liaza mrówczanowo-wodorowa rozkłada do CO2 i H2. U E. coli są 3 dehydrogenazy mrówczanowe, 1 to białko FDH-N, produkt operonu fdnGHI w warunkach beztlenowych z dostepem do azotu, on utlenia mrówczan, a reduktaza azotanowa redukuje azotany, 2 białko FDH-O kodowana przez fdoGHI w warunkach tlenowych i gdy w pdołozu sa azotany, to bialka blonowe z centami aktywnymi po stronie ściany komórkowej (peryplazmy), 3 FGH-H produkt genu fdhF, ekspresja w warunkach beztlenowych przy braku akceptorów elektronów, centrum aktywne ma selen i molibden, jest po stronie cytoplazmy, enzym to główny element liazy mrówczanowo-wodorowej, rozkładające mrówczan do OC2 i H2, FGH-H współdziała z 6 białkami Hyc, produktami genu hyc, HycB, HycC, HycD, HycF, HycG odpowiadają za transport e- przez białko HycE, kwas mrówkowy indukuje aktywnośc genu fdhF i hyc, regulon mrowczanowy obok operonów hyc i fdhF ma operony hypA-E, fhlA i hydN-hypF, ulegaja transkrypcji przy dostatku mrówczanu w obnizonym pH. białka HypA-E i HypF odpowiadają za dojrzewanie hydrogenazy Hyd-3 i formowanie kofaktora NiFe, fhlA koduje białko FHLA-induktor regulonu mrówczanu, łaczy się z DNA jako tetramer, reguluje transkrypcję genów regulonu, białko HYCA, produkt hycA wygasza regulon, pomaga mu antysensowne RNA OxyS, HYCA ododziałowuje z FHLA i jego kompleksem z mrówczanem. wodór w wyniku fermentacji glutaminy wytwarzają laseczki Clostridium m. in. C. tetani-laseczka tężcowa. Na podłożach z glicerolem duzo wodoru produkują Enterobacter aerogenes gramm-ujemna, beztlenowa bakteria z przewodu pokarmowego i Klebsiella pneumoniae pałeczka zapalenia pluc, gramm-ujemna, bezrzęskowa, nie tworzy przetrwalników, ma śluzowa otoczkę.
Podłożem dla tych bakterii mogą byc odpady z biomasy: metanol, etanol, octan, celuloza, melasa, glicyna, kreatyna, ścieki, obornik, odchody zwierząt, odpady z przemysłu spozywczego i tłuszczowego.
Fotofermentacja sa tu zielone i purpurowe bakterie siarkowe i bezsiarkowe, donor elektronów to związki siarki: siarka rodzima, siarkowodór, tiosiarczany, wodór dla siarkowych, wodór ze związkami organicznymi dla bezsiarkowych, bakterie maja w błonach barwniki absorbujące światło i białka odp. za transport elektrony, w czasie, którego tworzy się siła protomotoryczna i powstaje ATP, e- dalej idą na ferredoksyne i NAD+, powstaje redukująca siła NADPH, tu jest rodzina Rhodospirillaceae z Rhodopseudomonas sp. z R. palustris, gramm-ujemne bakterie, Rhodospirillum sp. m. in. R rubrum, gramm-ujemny, fakultatywny beztlenowiec, Rhodobacter sp. i Rhodobium sp. pączkują, wykorzystuje ta rodzina związki organiczne, R. rubrum redukuje nitrogenazą N2, nitrogenazie towarzyszy hydrogenaza pobierająca Hup, rozkłąda H2 do 2H+ i 2e-, H+ redukują N2, kolejna hydrogenaza rozkłąda wodór na H+ potrzebne do redukcji CO2, następna w ciemnosci rozkłada mrówczan do CO2 i H2, w ciemności jest fermentacja kwasów mieszanych, kolejna to składnik kompleksu błonowego utleniającego CO, który ja aktywuje CO+H2O=H2+CO2 to białko CODH, produkt genu cooF transportuje H+ i e- na podjednostkę podobna do ferredoksyny (produkt genu cooH) powstaje H2, powstaje syngaz CO, CO2 i H2 produkt rozkładu biomasy. Rubrivivax gelatinosus może życ przy samym CO i świetle, u Enterobacteriaceae jest Citrobacter sp. wykorzystująca CO, bezotoczkowe, nieurzęsione, gramm-ujemne.
W żwaczu przeżuwaczy również zachodzi fermentacja, tu zyja beztlenowe batkerie odp. za rozkład celulozy, hemipektyn, fruktanów, skrobii, pektyn, oligosacharydow i cukrów prostych, tu są bakterie, pierwotniaki, grzyby wytwarzające enzymy rozkładające celulozę, hemicelulozę i pektyny, węglowodany złozone rozkładane sa na cukry proste, które stanowią dla mikroorganizmów i organizmu przeżuwacza, zródlo energii, powstałe CO2, H2 i inne to substraty dla innych bakterii wytwarzających metan, w żwaczu sa Ruminococcus albus i R. flavefaciens, beztlenowe gramm-dodatnie laseczki, Butyrivibrio fibrisolvens, uwiciona laseczka, Clostridium cellobioparum, gramm-dodatnia laseczka, one rozkładają celulozę, pektyny rozkładają Lachinospira multipara, Megasphaera elsdenii, Selenomonas ruminantium.
Ruminococcus albus produkuje octan, etanol, CO2 i H2, gdy inne mikroby wykorzystują wodór wydajnośc produkcji wodoru rosnie do praiwe 4 moli na mol glukozy. Orzęski rozkładające celulozę to Entodiniomorpha, pektyny Holotricha, mają 3 gatunki Dasytricha ruminantium, Isotricha prostoma, Isotricha intestinalis, wykorzystuja one D-glukozę, D-fruktozę, D-galaktozę, oligosacharydy i polisacharydy, orzęśki te sa aktywne, gdy przeżuwacze jedża pokarm z duża liczbą cukrów prostych. Produkują CO2, H2, mleczan, octan i maslan, troche mrówczanu i propionianu, mają organella hydrogenosomy gdzie na drodze fermentacji maslowej powstają te kwasy i gazy. I. prostoma i I. intestinalis na pożywce z glukozy robią gaz z połową zawartości H2. Entodiniomorpha mają Entodinium caudatum, Ophryoscolex caudatus, robią octan, maslan, CO2, H2, propionian, mrówczan i mleczan. Grzyby w zwaczu to Piromyces sp., Orpinomyces sp., Anaeromyces sp. Neocallimastix frontalis w czasie glikolizy zmienia pirogronian w octan, etanol, mleczan i bursztynian, u N. frontalis i Piromyces sp. jest liaza piorogronianowo-mrówczanowa PFL jest w cytoplazmie i hydrogenosomach.
Hydrogenosomy to otoczone podwójną błoną białkowo-lipidową organella u beztlenowych eukariontów, sa u pierwotniaków m. in. rzeęsistka pochwowego Trichomonas vaginalis należacego do wiciowców  Flagellata. Pierwotniaki mają w hydrogenosomach oksydoreduktazę pirogronianowo-ferredoksynowa PFO, która daje dekarboksylacje pirogronianu do CO2 i Acetylo-Co-A przy redukcji ferredoksyny, Acetylo-Co-A na drodze fosforylacji substratowej prowadzonej przez transferazę octanowo-bursztynylo-Co-A i syntetazę bursztynylo-co-A zmienia się w octan, powstaje ATP. U Holotricha reakcję robią fosfoacetylotransferaza i kinaza octanowa, e- idą na ferredoksynę, hydrogenazy redukuja H+ do H2, siła protomotoryczna powoduje syntezę ATP. Holotricha mają też enzymy fosfobutyrylotransferazę, kinazę meslanową, dehydrogenazy mleczanu. N. frontalis i Piromyces pirogronian przetwarza się w Acetylo-Co-A i mrówczan przez liazę pirogronianowo-mrówczanową, Acetylo-Co-A ma fosforylację substratową przy udziale transferazy octanowo-bursztynylo-Co-A i syntetazy brusztynylo-Co-A, powstaje H2 i ATP, z pirogronianu powstaje szczawiooctan, dehydrogenaza malonianu redukuje go do malonianu, z którego może wtónie powstać pirogronian, CO2 i NAD(P)H oksydoreduktaza ferredoksynowo-NADH daje e-na ferredoskynę, hydrogenazy redukują protony do H2. Hydrogenazy to metaloenzymy centrum aktywne stanowią 2 atomy żelaza (FeFe) lub atom niklu i żelaza (NiFe), NiFe sa u archeonów, gamma Proteobacteria i Clostridium, FeFe są u reszty bakterii i eukariontów. niFe utl. wodór to H+ i e-, FeFe robią H2, NiFe mają hydrogenazy podpierające. NiFe robiące H2 są u E. coli, hydrogenazy fermentacji mieszanej, białka Hyd-1, Hyd-2 należace do NiFe utl. wodór, Hyd-3 wchodzi w sklad FHL, Hyd-4 pełni podobna funkcję to FHL, produkt geny hyf. NiFe i FeFe maja rdzeń, domeny i podjednostki. Rdzeń FeFe ma domenę H połaczoną z gr. prostetyczne Fe-Fe i centrum siarczkowo-żelazowym wiązaniem siarkiowym z reszty cysteiny, NiFe ma 2 podjednostki, duża połączona z gr prostetyczna Ni-Fe atomami siarki z 4 cystein i mała wiąze sie z 1 z 4 centrów siarkowo-żelazowych, obie hydrogenazy mają ligandy CO i CN- połaczone z atomami żelaza grup prostetycznych, NiFe mają 1 CO i 2 CN-, FeFe m 5 ligandów każdy wiąże się z centrum aktywnym 1 CO i 1 CN-, domeny kierują e- do centrum aktywnego enzymu. Redukcja siarczanów m. in Desulfovibrio vulgaris wykorzystuja kwas mlekowy, alkohole, wodór do utleniania siarczanów. Mleczan zmienia sie w pirogronian, on w Acetylo-Co-A, powstaje szczawiooctan, tu działają oksydoreduktaza pirogronianowo-ferredoksynowa i liazy mrówczanowe, hydrogenazy cytoplazmatyczne uwalniaja H2, periplazmatyczne rozkładaja go do H+ i e-, H+ redukuja siarczany do H2S, e- na drodze fosforylacji oksydatywnej idą do ATP, tu metabolity pośrednie to CO zmieniany w CO2 i H2 przy pomocy dehydrogenazy CO (CODH).
http://kopalniawiedzy.pl/Himadri-Pakrasi-wodor-cyjanobakteria-cyanothece-51142,12076
www.pm.microbiology.pl/web/archiwum/vol4742008465.pdf