Bioluminescencja a produkcja wodoru. Polscy naukowcy ocenili potencjał świecących bakterii
Zespół naukowców z Uniwersytetu Gdańskiego i Instytutu Fizyki Jądrowej PAN sprawdził, czy świecące bakterie mogłyby zastąpić lampy jako źródło światła napędzającego fotokatalityczną produkcję wodoru – donosi naukawpolsce.pl. Wyniki, opublikowane w czasopiśmie „Chemical Engineering Journal”, pokazują, że biologiczny blask okazał się na razie kilkadziesiąt razy za słaby, by uruchomić reakcję na wykrywalnym poziomie.
Wodór może pełnić funkcję paliwa i nośnika energii – w ogniwie paliwowym reaguje z tlenem, oddając energię elektryczną, a jedynym produktem ubocznym tej reakcji jest woda. Zanim jednak trafi do ogniwa, trzeba go najpierw wytworzyć, co samo w sobie wymaga dostarczenia energii. Jedną z najbardziej obiecujących metod jest fotokataliza. Jest to forma wykorzystania materiału zwanego fotokatalizatorem, który pochłania światło słoneczne i dzięki uzyskanej w ten sposób energii napędza reakcję prowadzącą do wydzielenia wodoru, docelowo poprzez bezpośrednie rozbicie cząsteczki wody na wodór i tlen.
Problem, na który wskazują autorzy badania, brzmi pozornie banalnie. Światło musi fizycznie dotrzeć do fotokatalizatora. W laboratoryjnej probówce wystarczy skierować na próbkę zwykłą lampę. W większej instalacji przemysłowej promieniowanie jest jednak po drodze pochłaniane i rozpraszane, zanim zdąży przeniknąć w głąb cieczy – fotoreaktory wymagają więc rozległych przezroczystych powierzchni, płytkich zbiorników lub gęstej sieci cienkich kanałów, co znacząco utrudnia zwiększanie skali takich instalacji.
Dodatkowym ograniczeniem jest zmienność nasłonecznienia – sztuczne oświetlenie rozwiązuje ten problem, ale kosztem dodatkowego zużycia energii, którego źródło decyduje ostatecznie o tym, czy cały proces rzeczywiście pozostaje niskoemisyjny.
Czym właściwie jest bioluminescencja?
Bioluminescencja to zdolność żywych organizmów do wytwarzania i emitowania własnego światła w wyniku reakcji chemicznej zachodzącej w ich komórkach – bez udziału ciepła, w przeciwieństwie do żarówki czy płomienia świecy. Za zjawisko to odpowiada zazwyczaj reakcja związku chemicznego zwanego lucyferyną z enzymem lucyferazą. Lucyferyna ulega utlenieniu przy udziale tlenu, a energia uwalniana w tym procesie jest emitowana w postaci fotonów światła widzialnego, zamiast rozpraszać się jako ciepło.
Zjawisko to jest szeroko rozpowszechnione w naturze. Świecą świetliki, niektóre grzyby, meduzy, głębokomorskie ryby, a także wiele gatunków bakterii morskich, w tym wykorzystane w opisywanym badaniu Vibrio harveyi, które w naturalnym środowisku wytwarzają charakterystyczny niebieskozielony blask.
Kolor emitowanego przez nie światła nie jest przypadkowy z punktu widzenia eksperymentu – naukawpolsce.pl podaje, że dobrze pokrywał się z zakresem promieniowania, które pochłaniał testowany w badaniu fotokatalizator.
Jak przebiegał eksperyment?
Zgodnie z opisem naukawpolsce.pl badacze najpierw przygotowali fotokatalizator na bazie siarczku cynku i indu, domieszkowany miedzią i wzbogacony nanocząstkami platyny, który – oświetlony zwykłą lampą laboratoryjną – skutecznie wspomagał wydzielanie wodoru w modelowych roztworach zawierających dodatkowe substancje ułatwiające reakcję. Nie była to więc jeszcze technologia rozkładu czystej wody ani gotowa metoda przemysłowej produkcji zielonego wodoru, lecz punkt wyjścia do sprawdzenia, czy można zastąpić zewnętrzne oświetlenie źródłem umieszczonym bezpośrednio wewnątrz reaktora.
Naukowcy przetestowali kilka wariantów biologicznego oświetlenia. Fluorescencyjne białko GFP wymagało pobudzania zewnętrznymi diodami, więc samo w sobie nie eliminowało problemu zasilania z zewnątrz. Reakcja lucyferyny z lucyferazą dawała jasny, lecz bardzo krótkotrwały błysk, gasnący po około 30 sekundach – zbyt krótki, by napędzać ciągły proces.
Najwięcej nadziei wiązano z żywymi bakteriami Vibrio harveyi, których warunki hodowli – temperaturę, zasolenie, napowietrzanie i skład pożywki – zespół starannie dobierał, wykorzystując też zmodyfikowany szczep wzbogacony o białko GFP, emitujący silniejsze światło. Zbudowano pięć różnych wersji reaktora, z których najbardziej rozbudowana otaczała naczynie z fotokatalizatorem świecącymi mikroorganizmami, a odblaskowa powłoka miała zawracać uciekające promieniowanie z powrotem do wnętrza układu.
Wynik? Bakterie świecą 43 razy za słabo
Mimo tych zabiegów sygnał świadczący o powstawaniu wodoru pozostawał na granicy wykrywalności, a wyników nie udawało się powtórzyć w kolejnych próbach. Aby ustalić, czy winna jest barwa światła, konstrukcja reaktora czy po prostu zbyt mała liczba emitowanych fotonów, badacze zastąpili bakterie diodami LED emitującymi światło o niemal identycznej barwie i stopniowo zwiększali jego moc, aż do uzyskania mierzalnej reakcji.
Odpowiedź okazała się jednoznaczna. Badanym układzie wodór zaczynał być wykrywalny dopiero przy mocy promieniowania na poziomie ok. 20 mikrowatów, podczas gdy zmodyfikowane bakterie osiągały w krótkotrwałym maksimum zaledwie około 0,47 mikrowata – niemal 43 razy mniej niż wymagany próg. Wyznaczona wartość dotyczy konkretnego katalizatora, konkretnej konstrukcji reaktora i konkretnych warunków eksperymentu, ale – jak podkreśla naukawpolsce.pl – po raz pierwszy pozwoliła liczbowo określić skalę problemu, jaki trzeba pokonać, by pomysł zadziałał w praktyce.
Czy bioluminescencja może więc podbić energetykę?
Na obecnym etapie odpowiedź brzmi: jeszcze nie, ale koncepcja pozostaje warta dalszych badań. Wyniki zespołu z Gdańska i Krakowa pokazują, że pomysł zastąpienia zewnętrznego oświetlenia biologicznym źródłem światła wewnątrz reaktora jest w zasadzie słuszny. Rozwiązuje realny problem inżynierski związany ze skalowaniem fotoreaktorów, ale obecnie dostępne organizmy świecące są zwyczajnie zbyt słabym źródłem promieniowania.
Czterdziestotrzykrotna różnica mocy to bardzo duży dystans do nadrobienia, ale nie jest to bariera fundamentalna, lecz techniczna. Portal naukawpolsce.pl wskazuje, że pomóc mogą jaśniejsze, dodatkowo zmodyfikowane szczepy bakterii, hodowle stale zasilane świeżą pożywką, lepiej kontrolowane napowietrzanie, bardziej czułe fotokatalizatory reagujące na mniejszą liczbę fotonów, a także cienkie reaktory przepływowe, w których żaden fragment materiału katalitycznego nie znajduje się daleko od źródła światła.
Innymi słowy, sama bioluminescencja energetyki na razie nie podbije – i być może nigdy nie zastąpi w pełni klasycznego oświetlenia w przemysłowej instalacji. Jej potencjalna wartość leży gdzie indziej. Może zainspirować nowy sposób projektowania reaktorów, w których źródło światła znajduje się dokładnie tam, gdzie jest potrzebne, wewnątrz samej cieczy, a nie na zewnątrz zbiornika. Zanim to jednak nastąpi, biologiczna poświata musi stać się znacznie silniejszym i bardziej stabilnym źródłem promieniowania niż jest dziś.
Fotokataliza wodoru w badanizch nad tanim światłem
Poszukiwanie tańszych i łatwiejszych do skalowania metod fotokatalitycznej produkcji wodoru to dziś jeden z aktywniejszych kierunków badań nad zielonym wodorem na świecie. Jak informowaliśmy w styczniu 2026 r., zespół naukowców z Chalmers University of Technology w Szwecji przedstawił dowody na to, że wysokowydajną fotokatalizę można prowadzić bez użycia platyny – kosztownego metalu, który dotąd był standardowym składnikiem najbardziej wydajnych katalizatorów.
Wykorzystując materiał polimerowy z jednostkami dibenzotiofeno-S,S-sulfotlenkowymi, szwedzcy badacze uzyskali wydajność rzędu 30 litrów wodoru na godzinę z jednego grama materiału, co pokazuje, że rozwiązywanie problemu kosztów i skalowalności fotokatalizy odbywa się dziś na wielu równoległych frontach – od tańszych katalizatorów, przez nowe geometrie reaktorów, aż po eksperymenty tak niekonwencjonalne jak wykorzystanie żywych, świecących mikroorganizmów.
Podobne poszukiwania prowadzone są też w Polsce. Zespół z Politechniki Warszawskiej pracuje od kilku lat nad reaktorem fotokatalitycznym wytwarzającym wodór z biomasy i energii słonecznej, rozwijanym w ramach spółki spin-off HIPERH2 i finansowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Problem doprowadzenia światła do reakcji, opisany przez zespół z Gdańska i Krakowa, jest tylko jednym z wielu wyzwań inżynierskich, jakie trzeba pokonać, zanim fotokataliza stanie się realną alternatywą dla klasycznej elektrolizy zasilanej energią odnawialną.
Warto też zauważyć, że eksperymenty z alternatywnymi, tańszymi sposobami wytwarzania wodoru toczą się dziś na bardzo różnych poziomach zaawansowania – od laboratoryjnych ciekawostek, takich jak opisywana przez nas domowa instalacja do produkcji wodoru ze zużytych paneli fotowoltaicznych, po duże, komercyjne wdrożenia elektrolizerów zasilanych bezpośrednio z farm wiatrowych i fotowoltaicznych. Badanie zespołu z Gdańska i Krakowa – mimo negatywnego na razie wyniku – wpisuje się w ten sam nurt sprawdzania możliwie nietypowych rozwiązań, zanim uda się znaleźć takie, które rzeczywiście obniży koszt i złożoność produkcji zielonego wodoru na dużą skalę.
Źródła: naukawpolsce.pl, na podstawie badań zespołu Uniwersytetu Gdańskiego i Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, opublikowanych w czasopiśmie „Chemical Engineering Journal”, własne
Patrycja Rapacka
patrycja.rapacka@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy E-Magazyny Sp. z o.o.
