Твердые отходы - не единственный тип отходов, которые могут производить водород. Сточные воды содержат много сырья, которое можно превратить в топливо. А в 2017 году, по оценкам Организации Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры, более 80% сточных вод в мире попало в окружающую среду без какой-либо фильтрации или дезинфекции. В результате очистки сточных вод потребляется 2–4% электроэнергии, произведенной в мире.
Чтобы помочь в решении проблемы неочищенных сточных вод, учёные работают над способами использования электроактивных бактерий для производства водорода из сточных вод при его обработке. Электроактивные бактерии встречаются в естественных условиях в канализационных и очистных сооружениях, где они потребляют органическое вещество и производят электроны, которые немедленно поглощаются другими бактериями. Исследователи научились собирать эти электроны, позволяя электроактивным бактериям расти на анодах, так называемых микробных топливных элементов, произведенные электроны протекают через топливные элементы к катодам устройств, генерируя ток. Исследователи комбинирует эти электроактивные бактерии с фотоэлектрохимической ячейкой, чтобы разделять сточные воды и генерировать водород.
При традиционном расщеплении воды имеют место две полуреакции: одна, которая окисляет H2O в O2, с образованием ионов водорода и электронов, и другая, которая превращает эти ионы водорода в H2. Эффективность процесса, как правило, ограничивается первой, выделяющей кислород половиной реакции - термодинамически неблагоприятной, требующей света или электроэнергии. Использование сточных вод обходит эту половинную реакцию, поскольку бактерии окисляют органические твердые вещества в сточных водах с образованием диоксида углерода, что является более термодинамически выгодным процессом, требующим меньшего количества энергии. Это дает преимущество, при котором возможно избежать сложной реакции при активном удалении отходов. Генерирование углекислого газа на аноде неизбежно, но как показали опыты, углекислый газ может быть секвестрирован или уловлен иным образом для дальнейшего уменьшения углеродного следа этого процесса.
В эксперименте с проверкой концепции была установлена фотоэлектрохимическая ячейка с биоактивным анодом, покрытым естественной смесью электроактивных бактерий и фотоактивного катода, выполненного из сплава галлия-индия. Когда свет падает на катод, возбужденные электроны восстанавливают ионы водорода в сточных водах с образованием водорода, оставляя положительно заряженные дыры. Затем отверстия заполняются электронами с анода, образованными электроактивными бактериями, которые поглощают органические отходы. Микробное фотоэлектрохимическое устройство синтезирует водород из сточных вод, используя свет для уменьшения ионов водорода и бактерий для окисления органических отходов.
Следующим перспективным и успешным исследованием стало работа над оптимизацией бактерии Clostridium thermocellum для выработки водорода из соломы кукурузы.
Сельскохозяйственные отходы, которые включают в себя растительные вещества, такие как солома и кукурузная солома, или оставшиеся стебли кукурузы и листья кукурузы, содержат смесь полимеров, вместе называемых лигноцеллюлозой. Этот сложный биополимер в настоящее время используется в качестве сырья для производства биоэтанола. Работы с бактерией C.thermocellum начались в начале 2000-х годов, потому что, как известно, в отличие от многих других бактерий, он питался целлюлозой - доминирующим компонентом лигноцеллюлозы, без какой-либо предварительной обработки. C. thermocellum расщепляет целлюлозу с образованием водорода и углекислого газа, в то же время, вырабатывая молочную кислоту, муравьиную кислоту и этанол в качестве побочных продуктов. Бактерию постепенно оптимизировали, C. thermocellum вырабатывает водород из целлюлозы.
Было найдено революционное решение, в обход конкурирующих путей, используя генную инженерию. В 2016 году предварительный анализ жизненного цикла, проведенный компанией Argonne's Dai, показал, что процесс ферментации в сочетании с мерами по максимизации количества извлекаемой энергии и водорода дает до 30% меньше углекислого газа на килограмм водорода по сравнению с паровой конверсией природного газ.
C. thermocellum, который активно потребляет углекислый газ, выделяемый бактериями. Это означает, что двуокись углерода, выделяющаяся в процессе производства водорода, повторно захватывается бактериями для создания клеточной массы, и меньшее количество СО 2 необходимо будет секвестрировать.
C. thermocellum для ферментации ксилозы, сахара, полученного из гемицеллюлозы, наряду с целлюлозой для производства водорода. После определения генов, которые обеспечивают потребление ксилозы в других бактериях, исследователи вставили эти гены в C.thermocellum. Новый штамм удвоил выход водорода.
