微生物制氢

氢气由于燃烧的产物为水而不产生任何环境污染物，而且能量密度和热转换效率高，是一种十分理想的“绿色”载能体。制氢方法可分为理化性的和生物性的两类。理化性的方法如将水电解为氢和氧，这必须消耗大量的电能，如获得的氢气作为能源，在经济成本上难以接受。其它化学性方法也要消耗大量矿物资源，而且生产过程中产生大量污染物污染环境。生物性方法利用微生物生产氢气具有前者方法所不可比拟的优点。

 

在生命活动中能形成分子氢的微生物有两个主要类群：一是固氮微生物尤其是具有固氮作用的光合微生物，包括藻类和光合细菌在内。目前研究较多的主要有颤藻属、深红红螺菌、球形红假单胞菌、深红红假单胞菌、球形红微菌、液泡外硫红螺菌等等。二是严格厌氧和兼性厌氧的发酵性产氢细菌。如丁酸梭状芽孢杆菌、拜氏梭状芽孢杆菌、大肠埃希氏杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌等。

 

在具有固氮作用的微生物中，有 N 2 等底物存在时，固氮酶进行 N 2 的还原反应：

众所周知，固氮酶在固氮过程中，有 25 ％甚至更多的电子流向质子形成氢，如果固氮酶并不是由 MoFe 蛋白而是由 VFe 蛋白或 FeFe 蛋白构成的，那流向质子的电子的比例分别可达 60 ％和 80 ％，也即有更多的氢气生成。在无 N 2 等合适底物时，固氮酶将电子全部流向放氢反应：

具有固氮作用的光合微生物的产氢实际上是光合微生物将光合作用过程中获取的光能转换为 ATP 后， ATP 支持固氮酶的放氢，由 ATP 将光合作用与固氮酶的放氢两个过程相连接。

 

发酵性细菌是另一类在代谢过程中可以产生分子氢的微生物。如糖解梭菌（ Clostridium saccharolyticum ）、巴斯德梭菌（ C.pasteurianum ）等，缺乏典型的色素系统和氧化磷酸化机制。在发酵单糖时可形成 H 2 ，一处是在葡萄糖酵解为丙酮酸过程中形成 NADH ， NADH 在 NADH ： Fd 氧化还原酶作用下，将电子还原氧化态的 Fd ，还原态的 Fd 在氢酶作用下形成 H 2 。另一处是丙酮酸在丙酮酸： Fd 氧化还原酶作用下脱羧过程中形成还原态的 Fd ，还原态的 Fd 与 H + 在氢酶作用下生成 H 2 。前一条途径，是由于生物体必须保持一定的 NAD + 与 NADH 的比例和 NAD + 浓度来维持其正常的生命代谢。因此，细胞内如果 NADH 浓度达到了一定水平，必须将电子转移给质子，使细胞内保持一定浓度的 NAD + ，尽管这个过程是一个需能反应，但当环境中氢气浓度随时释放到足够低浓度时，反应可向右进行。同时伴随这个过程的有氢释放。

许多肠道细菌如大肠杆菌 ( E.coli ) 等在代谢过程中也可产生氢气。当其厌氧性生长于发酵性基质上时，氢酶起着氢阀的作用，通过氧化在发酵过程中的过剩还原力（ NADH 或 NADPH ）形成 H 2 来保证电子载体的循环和保持氧化还原平衡。酵解形成的丙酮酸在丙酮酸：甲酸裂解酶作用下，形成乙酰 -CoA 和甲酸，甲酸在厌氧和缺乏合适电子受体条件下，由甲酸氢解酶复合物裂解生成 CO 2 和 H 2 。