Biotecnologia Aplicada 1999; Vol. 16 No. 3, pp. 141-144
Cyanobacterial H2
Metabolism: Knowledge and Potential/Strategies for a
Photobiotechnological Production of H2
Peter Lindblad
Code Number: BA99023
ABSTRACT
Molecular hydrogen is an environmentally clean source of
energy that may be a valuable alternative to the limited fossil
fuel resources of today. For photobiological H2
production, cyanobacteria are among the ideal candidates since they
have the simplest nutritional requirements: they can grow in air
(N2 and CO2), water (electrons and reducing
agents), and simple mineral salts with light as the only source of
energy. In N2-fixing cyanobacteria, H2 is
mainly produced by nitrogenases, but its partial consumption is
quickly catalyzed by a unidirectional uptake hydrogenase. In
addition, a bidirectional (reversible) enzyme may also oxidize some
of the molecular hydrogen. Filamentous cyanobacteria have been used
in bioreactors for the photobiological conversion of H2O
to H2. However, the conversion efficiencies achieved are
low because the net H2 production is the result of
H2 evolution via a nitrogenase and H2
consumption mainly via an uptake hydrogenase. Consequently, the
improvements of the conversion efficiency are achieved through the
optimization of the conditions for H2 evolution by the
nitrogenase and through the production of mutants deficient in
H2 uptake activity. Symbiotic cells are of fundamental
interest since they in situ "function as a bioreactor",
possess a high metabolism and there is transfer of metabolite(s)
from symbiont to host, but almost no growth. This communication
presents the general knowledge about hydrogen
metabolism/hydrogenases in filamentous cyanobacteria, outline
strategies for improving the capacity of H2 production
by filamentous strains, and stresses the importance of
international cooperations and networks.
Keywords: biotechnology, cyanobacteria, H2
evolution/uptake, hydrogenase, Nostoc
RESUMEN
El hidrógeno molecular constituye una fuente de
energía limpia y una alternativa potencial frente a los
limitados recursos de combustibles fósiles. Las
cianobacterias son candidatos ideales para la producción
fotobiológica de H2, ya que tienen los
requerimientos nutricionales más simples: pueden crecer en
aire (N2 y CO2), agua (electrones y agentes
reductores) y sales minerales, con la utilización de la luz
solar como única fuente de energía. En las
cianobacterias fijadoras de N2, el H2 es
producido fundamentalmente por nitrogenasas. Sin embargo, su
consumo parcial es rápidamente catalizado por una
hidrogenasa unidireccional. Además, una enzima bidireccional
(reversible) también puede oxidar parte del H2
molecular. Las cianobacterias filamentosas han sido empleadas en
biorreactores para la conversión fotobiológica de
H2O en H2. Sin embargo, las eficiencias de
conversión logradas han sido bajas debido a que la
producción neta de H2 resulta de la
evolución de H2 a través de una
nitrogenasa y el consumo de H2 fundamentalmente a
través de una hidrogenasa. En consecuencia, para incrementar
la eficiencia de conversión se requiere, por un lado, la
optimización de las condiciones de evolución de
H2 por la nitrogenasa y, por otro, produccir mutantes
deficientes en la actividad de asimilación de H2.
Las células simbióticas son de especial
interés porque "funcionan como biorreactores" in
situ, presentan un metabolismo intenso y hay transferencia de
uno o más metabolitos del simbionte al hospedero sin
crecimiento prácticamente. Este trabajo presenta una
revisión sobre el conocimiento general que se tiene del
metabolismo del H2 y las hidrogenasas en cianobacterias
filamentosas, destaca estrategias para mejorar la capacidad de
producción de H2 por cepas filamentosas, y hace
énfasis en la importancia del intercambio y la
cooperación internacionales.
Palabras claves: biotecnología, cianobacterias,
evolución/consumo de H2, hidrogenasa, Nostoc
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