Náttúrufræðingurinn - 2017, Blaðsíða 54

Náttúrufræðingurinn
54
langoftast brotnar niður í glýkólýsu
(e. Embden-Meyerhof pathway, EMP)
þar sem hver glúkósaeining er
brotin niður í glýseraldehýð-3-fos-
fat og díhýdroxýasetón. Fyrir tilstilli
ísómerasa er díhýdroxýasetón-ein-
ingunni umbreytt í glýseraldehýð-
-3-fosfat og einingarnar tvær að
lokum brotnar niður í tvær pýru-
vatseiningar (1. mynd). Pýruvati má
síðan umbreyta í aðrar lokaafurðir,
svo sem etanól, mjólkursýru, edik-
sýru eða smjörsýru.
Lokaafurðir eru mismunandi eft-
ir örverum og ráðast oftar en ekki af
umhverfisþáttum. Pýruvat getur til
að mynda afoxast í mjólkursýru með
laktat-dehýdrógenasa (LDH). Úr
pýruvati er einnig hægt að mynda
etanól, en þá er því fyrst umbreytt
í asetýl-kóensím A og svo áfram í
asetaldehýð með hjálp asetaldehýð-
-dehýdrógenasa (ACDH) sem að
lokum er umbreytt í etanól með
alkóhól-dehýdrógenasa.
Loftfælnar örverur fá mestu
orkuna með því að oxa pýruvat í
asetýl-CoA og CO2 með því að nota
ensímið pýrúvat-ferredoxín-oxí-
dóredúktasa (PFOR). Asetýl-CoA
er síðan umbreytt í ediksýru og
til verður ATP úr asetýlfosfat-milli-
efninu (1. mynd).14 Við oxunina
flytjast rafeindirnar á afoxað fer-
redoxín sem síðan gegnir hlutverki
rafeindagjafa fyrir hýdrógenasa.
Í kjölfarið myndast vetni. Tvær
megingerðir eru til af hýdrógenös-
um, NiFe- og FeFe- hýdrógenasar.14
Loftfirrtar bakteríur geta framleitt
vetni bæði með pýrúvat-ferredoxín-
-oxídóredúktasa, eins og lýst var
hér að framan, og með glýserald-
ehýð-3-fosfatasa (ekki á mynd; efna-
hvarfið er ofar í glýkólýsunni) úr
NAD(P)H.14 Oxídóredúktasa-ferlið
er þó algengara vegna þess að fram-
leiðsla á vetni með glýseraldehýð-
-3-fosfatasa er orkufræðilega óhag-
kvæm. Það er vel þekkt fyrirbæri
að miðlungshitakærar bakteríur
framleiða mun minna af vetni en
hitakærar og er ástæðan fyrst og
fremst sú að við lágt hitastig er vetn-
isframleiðslan orkufræðilega óhag-
kvæmari.4,14 Afoxunareiginleiki (e.
redox potential) á Fdred/Feox er háð
örverum og hitastiginu þegar efna-
hvarfið á sér stað. Í náttúrunni helst
hlutþrýstingur vetnis lágur af völd-
um örvera á borð við metanbakterí-
ur eða súlfat-afoxandi bakteríur sem
geta nýtt sér lofttegundina.15 Við
slíkar aðstæður er hagstætt að oxa
glúkosa í pýruvat og síðan eingöngu
í ediksýru, H2 og CO2. Við hátt hita-
stig eru áhrif hlutþrýstings vetnis
á lykilensím vetnisframleiðslunnar
mun minni. Þetta er meginástæða
þess að það eru háhitakærar bakter-
íur sem ná fram hámarksafköstum
í vetnisframleiðslu, sbr. 4 mól af H2
ásamt 2 mólum af ediksýru. Þetta
skýrir einnig hvers vegna örverur
sem vaxa við lægra hitastig fram-
leiða ekki eingöngu ediksýru og
vetni. Þær eru orkufræðilega nauð-
beygðar til að beina framleiðslu
sinni í afoxaðri afurðir eins og
etanól og mjólkursýru. Lægra hita-
stig veldur því að virkni ensímisins
NADH-ferródoxín-oxídóredúktasa
(NOR) sem umbreytir NADH í
Fdred hindrast. E°-gildið er –400
mV fyrir Fdred/Fdox-samstæðuna
en –320 mV fyrir NADH/NAD+-
rafeindaparið.4,14 Við lágt hitastig
hefur hækkandi hlutþrýstingur
vetnis því hamlandi áhrif á vetn-
isframleiðsluna mun fyrr (þ.e. við
lægri hlutþrýsting vetnis) en við
hátt hitastig. Miðlungshitakærar
bakteríur bregðast við þessu með
því að beina rafeindum sínum á aðra,
orkufræðilegra hagstæðari rafeinda-
þega og framleiða því mun meira af
öðrum lokaafurðum svo sem mjólk-
ursýru og etanól (1. mynd).
Hér að neðan eru sýndar helstu
efnaformúlur fyrir niðurbrot
glúkósa við loftfirrtar aðstæður. Eins
og fyrr segir fara lokaafurðirnar eftir
örverunum sjálfum og umhverfis-
aðstæðum hverju sinni. Sem dæmi
má nefna að sumar bakteríur sem
vaxa við mjög hátt hitastig geta
framleitt 4 mól af vetni fyrir hvert
mól af glúkósa sem brotið er niður:
Sumar bakteríur geta framleitt
smjörsýru ásamt vetni en þá er vetn-
isframleiðslan helmingi minni:
Aðrar bakteríur framleiða hins
vegar hvorki ediksýru né smjörsýru
(og þá ekki heldur vetni), heldur
etanól:
Þegar mjólkursýra er eina loka-
afurðin, eins og stundum verður
hjá mjólkursýruframleiðandi bakt-
eríum, er niðurstaðan þessi:
Langalgengast er hins vegar
að loftfælnar bakteríur framleiði
blöndu af öllum þessum afurðum
og fer þá endanleg vetnisframleiðni
eftir hlutföllum þeirra.
HITAKÆRAR BAKTERÍUR
SEM FRAMLEIÐA VETNI
Flestar rannsóknir á áhrifum
umhverfisþátta á vetnisframleiðslu
baktería hafa verið gerðar á hrein-
ræktum með einföldum sykrum
sem hvarfefni. Margir góðir vetn-
isframleiðendur finnast innan ætt-
kvíslanna Thermoanaerobacterium,
Caldicellulosiruptor og Thermotoga.
Thermoanaerobacterium tilheyrir
flokki klostridía (e. Clostridia) og
er náskyld Clostridium-ættkvíslinni.
Thermoanaerobacterium-ættkvíslinni
var fyrst lýst árið 1993 þegar tvær
hitakærar bakteríur, sem gátu brot-
ið niður xýlan, voru einangrað-
ar úr heitum hver í Yellowstone-
þjóðgarðinum í Bandaríkjunum.8
Þessir stofnar voru bornir saman
við aðrar tegundir sem geta brotið
C6H12O6 + 4 H2O à
2CH3COO
- + 4H2 +
2HCO3
- + 4H+
(1)
C6H12O6 + 2 H2O à
CH3CH2CH2COO
- +
2H2 + 2HCO3
- + 3H+
(2)
C6H12O6 + 4 H2O à
2CH3CH2OH + 2HCO3
-
+ 4H+
(3)
C6H12O6 + 4 H2O à
CH3CHOHCOO
- +
2HCO3
- + 4H+
(4)