Dark Fermentative Biohydrogen Production from Fructose-rich Resources by the Photosynthetic Purple Bacterium Rhodospirillum rubrum
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि प्रकाश संश्लेषक जीवाणु *Rhodospirillum rubrum* अंधेरे और ऑक्सीजन-सीमित परिस्थितियों में फ्रक्टोज-समृद्ध कृषि-औद्योगिक अवशेषों से कुशलतापूर्वक बायोहाइड्रोजन का उत्पादन कर सकता है, जो हाइड्रोलाइज्ड मोलेसेस (hydrolyzed molasses) का उपयोग करने वाले अवायवीय बायोरिएक्टरों में अपनी उच्चतम उत्पादकता प्राप्त करता है।
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द दशकों से, वैज्ञानिक जीवाश्म ईंधन जलाए बिना स्वच्छ ईंधन बनाने के तरीकों के लिए प्रकृति की ओर देख रहे हैं। एक आशाजनक मार्ग उन नन्हे, एककोशिकीय जीवों का उपयोग करने में निहित है जो सूर्य के प्रकाश और कार्बनिक पदार्थों को हाइड्रोजन गैस में बदल सकते हैं, जो कि एक स्वच्छ ईंधन स्रोत है। ये जीव, जिन्हें प्रकाश संश्लेषक पर्पल बैक्टीरिया (photosynthetic purple bacteria) के रूप में जाना जाता है, चयापचय संबंधी 'गिरगिट' (metabolic chameleons) हैं; वे अपने वातावरण में जो कुछ भी उपलब्ध होता है, उसके आधार पर खाने और सांस लेने के विभिन्न तरीकों के बीच स्विच कर सकते हैं। आमतौर पर, शोधकर्ता उन्हें प्रकाश से भरे बड़े टैंकों में उगाने की कोशिश करते रहे हैं, ताकि फोटोफर्मेंटेशन (photofermentation) नामक प्रक्रिया को प्रेरित किया जा सके। हालाँकि, यह दृष्टिकोण एक कठिन बाधा का सामना करता है: जैसे-जैसे बैक्टीरिया बढ़ते हैं और टैंक में तरल गाढ़ा होता जाता है, प्रकाश कोशिकाओं के बीच तक गहराई में नहीं पहुँच पाता है। इस सीमा ने इस तकनीक को एक व्यावहारिक, बड़े पैमाने के उद्योग बनने से रोक कर रखा है।
एक अलग मार्ग मौजूद है, जो अंधेरे में भी हाइड्रोजन उत्पादन करने की बैक्टीरिया की क्षमता पर निर्भर करता है, बशर्ते हवा को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाए। यह विधि, जिसे डार्क फर्मेंटेशन (dark fermentation) कहा जाता है, महंगी प्रकाश प्रणालियों की आवश्यकता नहीं डालती है और बैक्टीरिया की बहुत घनी संस्कृतियों (cultures) की अनुमति देती है। चुनौती इस अंधेरे उत्पादन को कोशिकाओं को मारे बिना या ऊर्जा बर्बाद किए बिना शुरू करने के लिए सही स्थितियाँ खोजने की रही है। जर्मनी के यूनिवर्सिटी ऑफ एप्लाइड साइंसेज बाइरैक के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह परीक्षण करने के लिए हाथ लगाया कि क्या पर्पल बैक्टीरिया का एक विशिष्ट प्रकार, रोडोस्पिरिलम रुब्रम (Rhodospirillum rubrum), खाद्य उद्योग के अपशिष्ट पदार्थों को भोजन के रूप में उपयोग करके अंधेरे में कुशलतापूर्वक हाइड्रोजन उत्पादन करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है।
शोधकर्ताओं ने रोडोस्पिरिलम रुब्रम के एक अद्वितीय स्ट्रेन पर ध्यान केंद्रित किया जिसमें एक विशेष गुण है: यह अंधेरे में रहने पर भी अपनी आंतरिक प्रकाश-हार्वेस्टिंग मशीनरी का निर्माण कर सकता है, जब तक कि ऑक्सीजन का स्तर कम लेकिन पूरी तरह से अनुपस्थित न हो। इस अवस्था को वैज्ञानिक 'सेमियाेरोबिक' (semiaerobic) कहते हैं, जो बैक्टीरिया को ऑक्सीजन में सांस लेने के साथ-साथ शर्करा के किण्वन (fermenting) की तैयारी करने की अनुमति देती है। टीम ने इन बैक्टीरिया को बड़े, स्टेनलेस स्टील के टैंकों में उगाया, जिसकी शुरुआत एक निर्धारित प्रयोगशाला नुस्खे से हुई और फिर वास्तविक दुनिया के अपशिष्ट उत्पादों की ओर बढ़ी। उन्होंने दो विशिष्ट प्रकार के कचरे का परीक्षण किया: सफेद वाइन बनाने के बाद बचे हुए छिलकों और बीजों से निकाला गया रस, जिसे ग्रेप पोमेज जूस (grape pomace juice) कहा जाता है, और गन्ना शोधन से बचा हुआ एक गाढ़ा, मीठा सिरप, जिसे मोलासेस (molasses) कहा जाता है। मोलासेस का उपयोग करने से पहले, उन्होंने जटिल शर्करा को सरल रूपों में तोड़ने के लिए एक एंजाइम के साथ इसका उपचार किया जिसे बैक्टीरिया खा सके।
प्रयोगों से पता चला कि बैक्टीरिया इन अंधेरे, ऑक्सीजन-नियंत्रित वातावरणों में फलते-फूलते रहे। जब शोधकर्ताओं ने टैंकों को थोड़े से ऑक्सीजन से बदलकर बिल्कुल ऑक्सीजन रहित कर दिया, तो बैक्टीरिया ने हाइड्रोजन गैस छोड़ना शुरू कर दिया। यह प्रक्रिया प्रयोगशाला के साधारण भोजन और जटिल अपशिष्ट जूस दोनों के साथ हुई। यह प्रक्रिया इसलिए सफल रही क्योंकि बैक्टीरिया ने फ्रक्टोज (fructose), जो ग्रेप जूस और मोलासेस दोनों में पाया जाने वाला एक प्रकार का शर्करा है, को छोटे अणुओं में तोड़ दिया, जिससे हाइड्रोजन एक उपोत्पाद (byproduct) के रूप में निकली। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रक्रिया के दौरान बैक्टीरिया अन्य कार्बनिक अम्लों का मिश्रण भी उत्पन्न करते हैं, जो कि इन कोशिकाओं के ऊर्जा संतुलन बनाए रखने का एक सामान्य हिस्सा है जब वे प्रकाश का उपयोग नहीं कर पातीं।
परिणामों ने परीक्षण की गई दो मुख्य स्थितियों के बीच एक स्पष्ट अंतर दिखाया। जब टैंकों को पूरी तरह से ऑक्सीजन मुक्त रखा गया, तो बैक्टीरिया ने तब की तुलना में बहुत तेजी से और अधिक मात्रा में हाइड्रोजन का उत्पादन किया जब थोड़ी मात्रा में ऑक्सीजन रहने दी गई थी। सबसे अच्छा प्रदर्शन हाइड्रोलाइज्ड मोलासेस (hydrolyzed molasses) से प्राप्त हुआ। इस शर्करा युक्त सिरप वाले टैंक में, बैक्टीरिया ने प्रति लीटर तरल पर 1.12 मिलीमोल हाइड्रोजन प्रति घंटा की उत्पादन दर हासिल की। यह उस दर से काफी अधिक था जो मानक प्रयोगशाला भोजन या ग्रेप जूस के साथ प्राप्त किया गया था। ग्रेप जूस, हालांकि सफल रहा, लेकिन बैक्टीरिया को नुकसान पहुँचाने वाली उच्च शर्करा सांद्रता को रोकने के लिए इसे पतला करना आवश्यक था, और इसने हाइड्रोजन की धीमी दर से उत्पादन किया।
अध्ययन ने यह भी स्पष्ट किया कि बैक्टीरिया गैस कैसे बना रहे थे। जबकि ये जीव हाइड्रोजन बनाने के लिए एक प्रकाश-संचालित एंजाइम का उपयोग करने के लिए प्रसिद्ध हैं, शोधकर्ताओं ने पाया कि अंधेरे में, एंजाइमों का एक अलग सेट कार्यभार संभाल लेता है। ये एंजाइम फॉर्मेट (formate) नामक अणु को हाइड्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड में बदलकर काम करते हैं। टीम ने पुष्टि की कि बैक्टीरिया गैस बनाने के लिए अपनी प्रकाश-संचालित मशीनरी पर निर्भर नहीं थे; इसके बजाय, वे एक किण्वन पथ (fermentation pathway) का उपयोग कर रहे थे जो ऑक्सीजन की कमी होने पर सक्रिय होता है। दिलचस्प बात यह है कि प्रक्रिया को कुशलतापूर्वक चलाने के लिए बैक्टीरिया को कार्बन डाइऑक्साइड की निरंतर आपूर्ति की आवश्यकता थी, जिसे बेकिंग सोडा जैसे यौगिक के रूप में जोड़ा गया था। इस जुड़ाव के बिना, हाइड्रोजन उत्पादन धीमा हो गया या रुक गया।
जब शोधकर्ताओं ने अपने निष्कर्षों की अन्य अध्ययनों के साथ तुलना की, तो उन्होंने पाया कि हालांकि उनकी उत्पादन दर विज्ञान के पूरे क्षेत्र में अब तक की उच्चतम दर नहीं थी, फिर भी वे इस प्रक्रिया के लिए प्रभावशाली थीं जिसमें न तो प्रकाश का उपयोग किया गया और न ही आनुवंशिक रूप से संशोधित बैक्टीरिया का। अन्य अध्ययन उच्च संख्या प्राप्त करने के लिए तीव्र प्रकाश या विशेष उत्परिवर्तित (mutant) उपभेदों पर निर्भर करते हैं, लेकिन इस कार्य ने प्रदर्शित किया कि एक प्राकृतिक, वाइल्ड-टाइप बैक्टीरिया एक मानक औद्योगिक टैंक का उपयोग करके सस्ते, नवीकरणीय कचरे से प्रभावी ढंग से हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकता है। बड़े, अंधेरे टैंकों का उपयोग करने की क्षमता का अर्थ है कि इस प्रक्रिया को प्रकाश-निर्भर विधियों की तुलना में बहुत अधिक आसानी से बढ़ाया जा सकता है, जो प्रकाश के प्रवेश की भौतिकी के कारण संघर्ष करती हैं।
शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि यह दृष्टिकोण स्वच्छ ऊर्जा में कृषि अपशिष्ट को बदलने के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है। रोडोस्पिरिलम रुब्रम की डार्क फर्मेंटेशन क्षमताओं का उपयोग करके, उद्योग अपने शर्करा युक्त उपोत्पादों, जैसे मोलासेस और ग्रेप पोमेज, को हाइड्रोजन उत्पन्न करने के लिए संसाधित कर सकते हैं, साथ ही मूल्यवान बायोमास भी बना सकते हैं जिसका उपयोग उर्वरक या पशु आहार के रूप में किया जा सकता है। अध्ययन ने ठोस डेटा प्रदान किया कि बैक्टीरिया कितनी तेजी से गैस का उत्पादन कर सकते हैं और वे कितना उत्पादन कर सकते हैं, जिससे भविष्य के कार्यों के लिए एक नया बेंचमार्क स्थापित हुआ। हालांकि दक्षता में सुधार की गुंजाइश अभी भी है, यह कार्य सिद्ध करता है कि यह तकनीक व्यवहार्य है, और बैक्टीरिया और भी बड़े पैमाने पर परीक्षण के लिए तैयार हैं।
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