Náttúrufræðingurinn - 2017, Page 55

55
Tímarit Hins íslenska náttúrufræðifélags
niður xýlan og niðurstöður bentu
til þess að um væri að ræða nýja
ættkvísl. Nú teljast níu tegundir til
hennar: T. aciditolerans, T. aotearoense,
T. saccharolyticum, T. thermosa-
ccharolyticum, T. thermosulfurig-
enes, T. xylanolyticum, T. fijiensis, T.
polysaccharolyticum og T. zeae.16,17
Flestir stofnarnir hafa verið einangr-
aðir úr heitum hverum, en sum-
ir einnig úr heitu úrgangsvatni úr
verksmiðjum.8,18–20 Þeir eru þekkt-
ir fyrir mjög breitt hvarfefnasvið
og framleiða blöndu af ediksýru,
etanóli, mjólkursýru auk vetnis og
koltvísýrings. Sumar bakteríurn-
ar hafa verið rannsakaðar vegna
hæfileika þeirra til að framleiða
vetni, en oft framleiða bakteríurn-
ar aukaafurðir sem leiðir til minni
vetnisframleiðslu. T. thermosa-
ccharolyticum framleiðir t.d. 2,19 til
2,37 mól af vetni úr hverju móli af
xýlósa21 og 2,42 mól úr hverju móli
af glúkósa.22
Thermotoga-ættkvíslinni var fyrst
lýst árið 1986 þegar Thermotoga
maritima var einangruð úr heitum
hver á Ítalíu.23 Nú teljast 11 tegundir
til ættkvíslarinnar: T. caldifontis, T.
elfii, T. hypogea, T. lettingae, T. maritima,
T. naphthophila, T. neapolitana, T. petr-
ophila, T. profunda, T. subterranea og
T. thermarum.16,17 Allar tegundirnar
eru loftfælnar, háhitakærar og vaxa
við hitastig sem er með því hæsta
sem þekkist meðal baktería. Flestar
hafa verið einangraðar úr neðan-
sjávarhverum við mikinn þrýsting.
Þær gerja sykrur aðallega í ediksýru,
vetni og koltvísýring,24,25 en geta
einnig myndað amínósýruna alan-
ín.25 T. maritima framleiðir 4 mól af
vetni úr 1 móli af glúkósa í lokaðri
rækt, en við mjög lítinn hvarfefnis-
styrk (0,1 g/L).26 T. neopolitana gefur
af sér 3,85 mól í lokaðri rækt27 og T.
elfii 3,3 mól í sírækt.28
Caldicellulosiruptor-ættkvíslinni
var fyrst lýst árið 1994 þegar tegund-
in Caldicellulosiruptor saccharolyticus
var einangruð.12 Nú teljast níu
tegundir til ættkvíslarinnar: C.
acetigenus, C. bescii, C. changbaiens-
is, C. hydrothermalis, C. kristjanssonii,
C. kronotskyensis, C. lactoaceticus, C.
owensensis og C. saccharolyticus.16,17
Af þessum níu voru þrjár, C. acetigen-
us, C. lactoaceticus og C. kristjanssonii,
einangraðar á Íslandi. Allar þessar
tegundir eru háhitakærar, rétt eins
og Thermotoga, og hafa verið einangr-
aðar úr heitum hverum og setlögum
í vötnum.12,29 Caldicellulosiruptor-
tegundirnar hafa tiltölulega breitt
hvarfefnasvið og geta brotið niður
fjölliður eins og sellulósa og xýlan,
öfugt við Thermoanaerobacterium og
Thermotoga. Margar framleiða ein-
göngu ediksýru, vetni og koltvísýr-
ing og teljast því ásamt Thermotoga
til bestu vetnisframleiðenda sem
nú þekkjast. C. saccharolyticus og C.
owensensis hafa aðallega verið rann-
sakaðar með tilliti til vetnisfram-
leiðslugetu. C. saccharolyticus fram-
leiðir 2,5 til 3,6 mól af vetni fyrir
hvert mól af glúkósa30–32 og 2,7 mól
af xýlósa.30
Dæmi um aðrar bakteríutegund-
ir sem hafa verið rannsakaðar
með tilliti til vetnisframleiðslu eru
Clostridium,33,34 Thermo anaerobacter,35
Calora mator,36 Caldanaerobacter,37 og
fornbakteríurnar Thermococcus38 og
Pyrococcus.39
UMHVERFISÞÆTTIR SEM
HAFA ÁHRIF Á VETNIS-
FRAMLEIÐSLU
Margir umhverfisþættir hafa áhrif á
vetnisframleiðslu hjá gerjandi bakt-
eríum. Þeirra á meðal er hitastig.
Með hækkandi hitastigi aukast lík-
urnar á vetnisframleiðslu og auka-
afurðum fækkar, sem aftur leiðir til
meiri vetnisframleiðslu. Sýrustig er
annar umhverfisþáttur sem skiptir
miklu máli, sérstaklega ef ræktun
fer fram í lokuðu kerfi. Meginá-
stæðan er sú að vetnisframleiðslu
fylgir ediksýrumyndun, sem lækkar
sýrustig ræktunarvökvans.40 Koma
má í veg fyrir þetta með notkun
búffers í ætum (oftast fosfats). Fosfat
getur hins vegar haft neikvæð áhrif
á bakteríuvöxt ef styrkur hans er
hafður of mikill. Sömuleiðis reynist
mikill upphafsstyrkur hvarfefnis/
kolefnagjafa oft vaxtarhindrandi
fyrir hitakærar bakteríur. Oft liggja
þolmörkin á milli 10 til 50 mM.10,40–
41 Hindrunin getur ýmist verið
bein eða óbein vegna lágs sýrustigs
og sýrumyndunar eða vegna hlut-
þrýstings vetnis. Vetni sem mynd-
ast í lokaðri rækt safnast upp í gas-
fasa ræktunarglasanna og hindrar
smám saman virkni þeirra ensíma
sem taka þátt í vetnisframleiðsl-
unni. Aukinn styrkur vetnis ýtir
einnig undir framleiðslu annarra
afoxandi myndefna sem taka við
elektrónum sem losna við oxun
á hvarfefninu/kolefnisgjafanum
(oftast glúkósi).36,40 Ein leið til að
hámarka vetnisframleiðslu er að
fjarlægja jafnóðum allt vetni sem
framleitt er. Í rannsókn á bakter-
íunni T. tengcongensis náðu rann-
sakendur að hámarka vetnisfram-
leiðslu úr glúkósa og ná allt að 4
mólum af vetni úr hverju móli af
glúkósa með því að láta köfnunar-
efni flæða stöðugt í gegnum rækt-
unartankinn.35 Augljóslega verður
þó að skilja vetnið frá köfnunarefn-
inu í slíkum kerfum ef á að nýta það
frekar.
VETNI ÚR FLÓKNUM
LÍFMASSA
Sá hæfileiki hitakærra baktería að
geta framleitt vetni úr margvís-
legum sykrum hefur lengi verið
þekktur en stutt er síðan menn fóru
að rannsaka slíka framleiðslu úr
flóknum lífmassa, svo sem úr hálmi
sem fellur til bæði við hveiti- og
byggframleiðslu, úr grasi, pappír og
hampi. Lífmassinn er formeðhöndl-
aður á mismunandi máta en oftast
er um að ræða veik sýru- eða basa-
böð. Styrkur hýdrólýsata sem fást er
mjög breytilegur en þó oftast á bil-
inu 0,2% til 15,0% (w/v). Ýmist eru
notaðar hreinræktir eða blandaðar
ræktir, bæði á mjög litlum skala, frá
nokkrum tugum millilítra í lokuðu
kerfi (e. batch culture), og stærri, frá
nokkur hundruð millilítrum upp
í nokkra lítra. Þegar stærri skali er
notaður eru ræktin oftast notuð
skammtarækt (e. fed-batch culture)
eða sírækt (e. continuous culture).
Hér verður ekki kafað djúpt í útfær-
slur vetnisframleiðandi ræktunar-
kerfa heldur vísað í nýlegar yfirlits-
greinar um viðfangsefnið.1–6 Eins