光合细菌在新能源开发中的应用（2）

3光合细菌与氢气

3.1产氢光合细菌

PSB是地球上最早出现的具有原始光合成系统的原核生物的一个类群，属于水圈微生物，能在厌氧条件下进行不放氧的光合作用产生氢气^[11]。

3.2产氢机理

关于光合细菌产氢机理有两种观点: 1)光合产氢是由于非周期电子传递链功能化的结果，链中有反应中心的细菌叶绿素参加; 2)光合细菌在光合作用中仅周期电子传递链起作用，伴随ATP形成，同化CO₂和其他构建过程所需的还原剂，在供氢体具有较NADH更高的势能时，或直接在氧化起始基质时产生H₂，或在可逆电子传递链消耗能量时产生H₂。光合细菌通过产氢释放细胞内多余的能量和电子，调节细胞内生理代谢平衡，是光合作用和固氮作用耦连反应的结果^[13]。

3.3产氢基本过程

PSB利用外源性有机物，通过EMP、TCA循环生成ATP, 其细胞含有细菌叶绿素a/b和类胡萝卜素，在光照条件下，光捕获复合体的细菌叶绿素Bchl和类胡萝卜素吸收光子后，其能量被传送到光反应中心（RC—镶嵌在细胞膜上蛋白质），其中电子供体将电子传递给胞内的电子传递链,低能态的电子在光反应中心受到光的激发，生成高能态的电子(e*), e*电子一部分离开电子传递链被传给铁氧化还原蛋白(Fe蛋白),铁氧化还原蛋白则又将电子传给固氮酶(Mo-Fe蛋白)，另一部分的电子则在电子传递链中传递, 由于PSB只有PSI而不含PSⅡ，所以该e*经环式磷酸化（如图3）产生ATP。固氮酶则利用ATP、质子和电子，生成氢气。其反应式：2H⁺+ 2e- +mATP →H₂+mADP +mPi 该反应是不可逆的。m的最小值为4，即每产生1 mol的H₂，至少需消耗4 mol的ATP；氢酶则主要起吸氢作用,以回收部分能量^[13]。

有人研究红螺菌科某些菌株有黑暗产氢现象^[16]。

3.4产氢关键酶及产氢影响因素

    3.4.1产氢关键酶

固氮酶:在PSB光合产氢中起主要作用的酶是固氮酶。固氮酶是一种结构复杂,功能特异的酶,由Mo-Fe蛋白和Fe-蛋白组成。Mo-Fe蛋白是α₂β₂四聚体,含有2个Mo,20～30个Fe,以及20～30个S。Fe-蛋白是二聚体,含有4个Fe和4个S，铁蛋白能结合Mg-ATP将电子从电子供体转至Mo-Fe蛋白。Mo-Fe蛋白结合底物,在Fe-蛋白协助下将N₂还原成NH₄⁺或氨基酸。

Gest研究发现,光合细菌裂解有机物产生分子氢是经厌氧柠檬酸循环途径产生,固氮酶在缺少含氮底物的条件下,能通过将质子还原成H₂,释放出积累的还原力和ATP。K.Ashok等发现,在振荡培养条件下,当氧气浓度大于0.25%时,固氮酶的活性急剧降低;当氧气浓度达20%时,则完全失活。铵对固氮酶活性具有抑制作用,Y. P Zhang等在研究Rs.rubrum时发现,铵对其固氮酶的活性具有瞬间调节作用^[13]。

氢酶：是一种多酶复合物,其主要成分是Fe-S蛋白。根据在细胞中的分布，可将氢酶分为可溶性氢酶（细胞质中）和膜结合态氢酶（细胞膜上或胞外质中）。根据作用机理,可将氢酶分为吸氢酶和可逆产氢酶。

许多光合细菌都具有氢酶,但在不同种属之间,其结构、催化特性,生理电子载体及细胞定位都有一定程度的差异。其功能的体现与生长时的生理条件密切相关,一般认为,在光合细菌的产氢过程中氢酶不起主要作用,在产氢底物耗尽的情况下,氢酶主要吸收氢气,回收固氮酶放氢而消耗能量。J.S.Chen认为,氢酶活性除了与质子浓度有关之外,还涉及氢酶活性中心氧化还原状态、电子传递体氧化还原电位等多种因素。氢酶催化放氢速率与反应体系的氧化还原电位有关。试验体系电位通常接近氢电极电位(-420 mV, pH值7. 0)。若体系电位为-465 mV,放氢反应率最大; -420 mV时,速率为最大值的1/2; -375mV时,速率几乎等于零^[13]。

3.4.2产氢影响因素

    光合细菌的光合放氢是在光合磷酸化提供能量和有机物降解提供还原力情况下,由固氮酶催化完成^[10]。对于大多数光合细菌，光是主要影响因素，PH没有种属特异性，供氢体种类的影响因菌种而异，此外，培养时的菌龄及接种量也有一定影响。

4氢能利用与光合细菌产氢

4.1氢能利用现状

   2005年7月,世界上第一批生产氢能燃料电池汽车的公司之一戴姆勒-克莱斯勒公司研制的“第五代新电池车”成功横跨美国,刷新了燃料电池车在公路上行驶的纪录,该车以氢气为动力,全程行驶距离5245km,最高时速145km。

北欧五国2005年成立了“北欧能源研究机构”,通过生物制氢系统分析,提高生物生产氢能力。2005年7月,德国宝马汽车公司推出了一款新型氢燃料汽车,充分利用了氢不会造成空气污染和产物能循环利用两大优点,生产出时速最高可达226km,行驶极限可达400km的氢燃料动力车。

2000年,中国国家科技部批复了“氢能的规模制备、储运及相关燃料电池的基础研究”,973项目正式立项。目前我国已成功研制出燃料电池轿车和客车,累计实验运行2000多公里,这标志着中国具备开发氢动力燃料电池发动机的能力,有关专家预计, 2010年世博会召开时,燃料电池轿车将会小批量、示范性地行驶在街头^[5]。

4.2光合细菌产氢研究现状

生物制氢技术正处于探索和研究的初级阶段，大量研究工作还有待进行，一方面，微生物多样性及各菌群之间关系的复杂性，使得单一分离的菌种作用与理论有一定差距；另一方面，生物新陈代谢过程的复杂性，使得机理的研究依赖于生物技术方面的相关理论的深入。

产氢工艺条件的研究是生物制氢的基础性研究，也是目前研究最多的方面,其主要集中在特定的菌种产氢的最佳环境参数的确定。工艺条件的研究主要包括温度、光照强度(光合生物制氢)、气液相成分及含量、氮源种类和添加量、培养基(产氢基质)成分和含量、PH值、接种量、菌龄等各方面的内容^[14,15]。
    日本、美国、欧洲等国家对光合放氢进行了大量研究，内容主要集中在高活性产氢菌株的筛选或选育、优化和通过控制环境条件以提高产氢量，研究水平和规模还基本处于实验室水平^[5]。国外现有试验均为实验室内进行的小型试验，试验数据亦为短期的试验结果，即便是瞬时产氢率较高,长期连续运行能否获得较高产氢量尚待探讨。我国光合细菌研究也比较深入，尤其利用有机废水产氢方面，已达到国际先进水平。但就我省目前情况来看，研究的极少。因此从本省地区分离出高产菌株，并将废水处理和生产新能源结合起来，实现环保和产能的产业化，具有很大的实用意义。

4.3未来发展

光合细菌产氢由于具有常温、常压、能耗低、环保等优势加上其产氢纯度高、对太阳光谱有较宽的响应范围及可与多种生物组建形成良好微生态体系，所以成为目前国内外研究的热点。

据有关数据显示，2000年我国工业和城市生活废水排放总量为415亿吨，工业废水194亿吨，城市生活污水排放量221亿吨^[16，19]。光合细菌能利用高浓度有机废水、污水（即便浓度很高并且含有有毒性物质，也可以不经稀释，就能被作为PSB生长基质）来完成自身新陈代谢，释放出副产物—氢气；废水处理和产氢工艺的结合，既达到环境治理的目的，又能利用低价原料生产清洁新能源，是一个集环境效益、社会效益和经济效益于一体的新型化产业模式^[20]。

随着光合细菌产氢机制研究的不断深入及生产工艺的不断优化，相信在不久的将来，PSB产氢会成为氢能利用最广泛，成本最低，综合效益最优的技术。

参考文献：

[1]刘如林，刁虎欣，梁凤来，赵大健.光合细菌及其应用.[M].中国农业科技出版社，1991：119～666

[2]王革华.新能源概论.[M].化学工业出版社，2006

[3]王革华.能源与可持续发展.[M].化学工业出版社，2006：118～119

[4]中国新能源网：2009-4-1

[5]刘江华.氢能源—未来的绿色能源.[J].新疆石油科技 Vol17.Jan,2007

[6]翟秀静,刘奎仁,韩庆 .新能源技术.[M].化学工业出版社，2007：53～187

[7]袁振宏,吴创之,马隆龙.生物质能利用原理与技术.[M].化学工业出版社，2006：317～320

[8]喻国策,王建龙.蓝细菌制氢研究进展.[J].中国生物工程杂志 2205，25（12）：86～91

[9]张明,史家梁.光合细菌产氢机理研究进展.[J].应用与环境生物学报，1999

[10]杨素萍,赵春贵,曲音波,钱新民.光合细菌产氢研究进展.[J].水生生物学报 Vol27 No.1,Jan 2003

[11]席丽娟,徐惠娟.微生学学报.[J]. 2007，34（4）：663～666

[12]周德庆.微生物学教程（第二版）.[M].高等教育出版社，2008：123

[13]唐雅琴,黄冰,刘仪柯.光合细菌微生物产氢研究进展.[J]. 2009,37(2):466-468

[14] 陈双雅,牛莉莉,东秀珠.厌氧细菌Acetanaerobacterium elongatum从葡萄糖的产氢特性研究.[J].微生物学报2006，46（2）233～237
[15] 李永峰,任南,杨传平等.生物制氢系统产氢菌的富集培养与分离技术.[J].南京理工大学学报2006，30（3）：185～190

[16]吴启堂,陈同斌.环境生物修复技术.[M].化学工业出版社，2007：6

[17]姚向君,田宜水.生物质能利用原理与技术.[J].化学工业出版社，2006

[18]苏亚欣,马玉如,赵敬德.新能源与可再生能源概论.[M].化学工业出版社，2007

[19]马放,冯玉杰,任南琪.环境生物技术.[M].化学工业出版社，2003：53-54

[20]刘双江,杨惠芳等.固定化光合细菌处理豆制品废水产氢研究.[J].环境科学Vol16（1）

[21]朱瑞艳,王迪,李季伦.深红红螺菌draTGB hupL双突变株在不同光照条件下产氢.[J].科学通报Vol17.Sep,2006

[22]钱一凡,郑广宏等.不产氧光合细菌 Rhodobacteria 产氢影响因子研究.[J].工业微生物Vol37.No.5 Oct,2007

[23]张立宏,周俊虎等.活性污泥分离混合菌的光合产氢特性分析.[J]. 太阳能学报Vol29. No.52 Feb,2008

上一篇：光合细菌在新能源开发中的应用（1）

下一篇：蓝细菌制氢研究进展（1）