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蓝细菌制氢研究进展
喻国策*王建龙（清华大学核能与新能源技术研究院环境技术研究室北京100084）
摘要 蓝细菌具有很低的营养需求，能够利用太阳能直接光解水产生氢能，利用蓝细菌产氢是理想的生物制氢方式之一。目前，蓝细菌氢的产率尚未达到实际应用的要求。蓝细菌产氢依赖于菌株的遗传背景和产氢的环境条件。对蓝细菌产氢生理、产氢速率、产氢的环境条件、菌株筛选和突变株构建以及在光生物反应器中产氢的特征作了综述，以期有利于蓝细菌产氢水平的提高。
生物制氢是一条能够利用可再生资源的环境友好的途径，它具有反应条件温和、过程清洁和不消耗矿物资源等优势。生物制氢包括利用厌氧和兼性厌氧细菌、光合细菌、蓝细菌和绿藻制氢等几种方式。其中，利用蓝细菌制氢由于蓝细菌的下述特征而成为理想的生物制氢方式之一：（1）蓝细菌能够直接光解水放氢，将太阳能转化为氢能；（2）蓝细菌生长营养需求低，只需空气（CO2和N2分别作为碳源和氮源）、水（电子和还原剂来源）、简单的无机盐和光（能源）。蓝细菌制氢作为一种有前途的生物制氢方式多年来一直受到人们的重视。
1蓝细菌放氢生理
蓝细菌是一类能够进行放氧光合作用的原核生物，具有在功能和结构上与真核细胞叶绿体相似的光合作用单元，和与革兰氏阴性细菌相似的细胞壁结构和组成。蓝细菌具有单细胞、丝状和菌落等多种形态。蓝细菌中参与氢代谢的酶主要有固氮酶、吸氢酶和可逆氢酶（或称双向氢酶），其中，固氮酶在催化固氮的同时催化氢的产生，吸氢酶可氧化固氮酶放出的氢，可逆氢酶既可以吸收也可以释放氢气。蓝细菌放氢是这三种酶共同作用的结果。固氮酶、吸氢酶和可逆氢酶对氧都非常敏感，它们可被空气中的氧和光合作用放出的氧抑制而失活。
常见的固氮酶是钼固氮酶，由固氮酶（MoFe蛋白）和固氮酶还原酶（Fe蛋白）组成，MoFe蛋白是约220-240 kDa的杂四聚体（NifD和NifK），Fe蛋白是约60-70 kDa的二聚体（NifH）。Fe蛋白将外部电子供体的电子传递给MoFe蛋白，MoFe蛋白将氮还原为氨，同时催化质子的还原：N2 + 8H+ + 8e- + 16ATP→2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi。蓝细菌或在无氧条件下固氮，或将固氮和放氧在时间或空间上分离。有些丝状蓝细菌的营养细胞可以分化成专门进行固氮的异形胞，从而实现固氮和放氧在空间上的分离，有些非异形胞蓝细菌则会将固氮和放氧在时间上分开。固氮酶除钼固氮酶外，还包括钒固氮酶和铁固氮酶，钒固氮酶和铁固氮酶可以为质子还原分配更多的电子，因而具有比钼固氮酶更强的放氢能力。
氢酶可以催化反应2H+ + 2e-←→H2，蓝细菌吸氢酶和可逆氢酶都是NiFe氢酶。吸氢酶存在于所有固氮的单细胞和丝状蓝细菌中。吸氢酶与膜相结合，在一些丝状蓝细菌中仅在异形胞中表达，在营养细胞中没有或仅有极少活性。吸氢酶至少由约60 kDa和35 kDa的两个亚基（HupL和HupS）组成。吸氢酶对氢的回收具有三方面功能：（1）通过氧氢反应（Knallgas反应）提供ATP；（2）去除氧气，保护固氮酶免于失活；（3）为固氮酶和其它细胞活动提供电子。在丝状蓝细菌中，吸氢酶和固氮酶具有密切的联系。
可逆氢酶在固氮和不固氮蓝细菌中广泛存在。可逆氢酶是可溶的或松散地结合在膜上。可逆氢酶是由氢酶（HoxH和HoxY）和硫辛酰胺脱氢酶（HoxU和HoxF）两部分组成的杂四聚体酶，是组成型酶。可逆氢酶和固氮作用不相关，可逆氢酶可能是蓝细菌在厌氧环境下释放多余还原力的介导物，或作为摒除光合作用光反应产生的低电势电子的电子阀。
2蓝细菌产氢的速率
Benemann等于1974年发现了Anabaena cylindrica在光下氩气环境中的放氢现象。至今，蓝细菌放氢研究已有30年历史。目前，蓝细菌氢的产率尚未达到实际应用的要求，光能转化效率一般均小于1%。一般认为，10%或更高的光能转化效率是大规模制氢所需要的。
用于放氢研究的蓝细菌包括丝状异形胞蓝细菌、丝状非异形胞蓝细菌、单细胞不固氮蓝细菌和海洋蓝细菌等10多个属的蓝细菌。比较深入的放氢研究主要是针对少数Anabaena属和Nostoc属异形胞蓝细菌，如A.cylindrica、A. variabilis和Nostoc PCC 73102，以及个别Synechococcus属和Synechocystis属的蓝细菌。表1列出了一些典型蓝细菌的产氢速率。异形胞蓝细菌在空气环境中生长和在氩气环境中测定时，比较典型的产氢速率介于0.17-4.2μmol H2 mg chla-1 h-1之间。不过，蓝细菌产氢受到培养过程和放氢测定过程多种因素的显著影响，同一株蓝细菌在不同的生长和测定条件下，其产氢速率可能相差10倍之多。A. variabilis ATCC 29413在限制光强90μE m-2s-1下和气相条件25%N2、2%CO2和73%Ar下生长，在氮营养压力下（当N2由25%下降至5%时），产氢速率可达45.18μmolH2 mg chl a-1 h-1。丝状异形胞蓝细菌具有比较完善的光合放氧和固氮放氢的分离机制以及较高的产氢速率，是非常有前途的产氢光合微生物之一。
单细胞不固氮蓝细菌能够表现出一定的利用可逆氢酶放氢的能力，尤其是Gloeobacter PCC 7421，其产氢速率可与某些异形胞蓝细菌相当（1.38μmol H2 mg chl a-1 h-1）。蓝细菌在黑暗缺氧条件下发酵产氢的速率比较低。
表1一些典型蓝细菌产氢的速率
Table 1Rates of hydrogen production by some typical cyanobacteria
|
菌株 |
最大产氢速率 μmol mg chla-1 h-1 |
生长条件 |
测定条件 |
|
异形胞蓝细菌 |
|
|
|
|
Anabaena sp. PCC 7120 |
2.6 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaena cylindrica IAM M-1 |
2.1 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaena variabilis IAM M-58 |
4.2 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaena cylindrica UTEX B 629 |
0.91 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaena flos-aquae UTEX LB 2558 |
3.2 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaenopsis circularis IAM M-4 |
0.31 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Nostoc muscorum IAM M-14 |
0.60 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Nostoc linckia IAM M-30 |
0.17 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Nostoc commune IAM M-13 |
0.25 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaena variabilis ATCC 29413 |
45.18 |
Ar+N2(25%)+CO2(2%); 90μEm-2 s-1 |
Ar + N2(5%)+CO2(2%); 90μE m-2s-1 |
|
Anabaena azollae |
38.5 |
空气 + CO2(2%); 113μE m-2s-1 |
Ar; 140μE m-2s-1 |
|
非异形胞蓝细菌 |
|
|
|
|
Synechococcus PCC 6803 |
0.26 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2 (1.34 mmol/L); 黑暗 |
|
Synechococcus PCC 602 |
0.66 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L); 20-30μEm-2s-1; 或 Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2 (1.34μmmol/L); 黑暗 |
|
Microcystis PCC 7820 |
0.16 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2(1.34 mmol/L); 20-30μEm-2s-1 |
|
Gloeobacter PCC 7421 |
1.38 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2(1.34 mmol/L); 20-30μEm-2s-1 |
|
Synechocystis PCC 6308 |
0.13 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2(1.34 mmol/L); 20-30μEm-2s-1 |
|
Aphanocapsa |
0.40 |
空气; 20μE m-2 s-1 |
20-30μE m-2s-1 |
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