光合細菌生物產氫技術的研究進展

任麗濱朱建良陳曉曄楊曉瑞

（南京工業大學製藥與生物工程學院，江蘇

南京２１０００９）

摘要光合細菌生物產氫技術能夠將光能利用、氫能製備和有機物去除有效地結合在一起，是一種極具發展潛力的氫能生產

技術。分析了光合細菌產氫技術的機制與主要影響因素，著重介紹了國內外各種光合細菌生物產氫技術，指出目前研究技術存在的問題，並對其應用前景進行了評述。

關鍵詞光合細菌生物產氫技術光生物反應器

隨著經濟和社會的發展，人類對能源的需求越來越多，化石燃料的大量開採和使用已造成了嚴重

是光合細菌特有的效能，在光照厭氧條件下，光合細

菌通過自身複合體上的細菌葉綠素和類胡蘿蔔素捕獲高能光子，並將能量傳遞到光合反應中心，使高能光子發生電荷分離產生高能電子。高能電子經過環

式磷酸化將光能轉化成三磷酸腺苷（ａｔｐ），為產氫過程提供能量。產氫過程中所需要的還原力來自有機物的氧化代謝，由細胞內還原性的鐵氧蛋白水平

的溫室效應、環境汙染、生態變異等問題。因此，尋

找和開發新的綠色可再生能源是實現社會可持續發展的必然選擇＿１］。

氫氣是一種理想的替代能源，具有高效、清潔、

可再生、易運輸等特點。隨著氫氣燃料電池、氫氣內燃機和發動機等技術的推廣應用，氫氣的需求大大提高。目前，獲取氫氣的主要方法是化石燃料重整製氫、電解水製氫和生物產氫　］。生物產氫技術因

所決定。固氮酶是光合細菌光合產氫的關鍵酶『５］，

在細胞提供足夠的ａｔｐ和還原力的前提下，固氮酶

可以將氮氣轉化成氨氣，同時質子化生成氫氣。產氫是光合細菌調節其機體內剩餘能量和還原力的一

種方式，對其生命活動非常重要　］。

許多光合細菌在黑暗條件下可以通過厭氧發酵

具有低能耗、低成本、無汙染和可再生等突出優勢而引起廣泛關注。多種生物產氫技術中，利用光合細

菌產氫的能量利用率高、產氫速率大、生產工藝簡

單，並且該技術能夠將光能利用、氫能製備和有機物去除有效地結合在一起，是一種極具發展潛力的氫能生產技術。

１光合細菌產氫機制

產氫，氫酶在厭氧暗發酵產氫過程中起主要作用。研究證實，光合細菌的厭氧暗發酵產氫機制與嚴格

厭氧菌很相似＿７］，都是以葡萄糖、有機酸、醇類物質為底物，在氫酶代謝過程中產生氫氣，該過程不需外

加光能。光合細菌厭氧暗發酵產氫過程相對簡單，

光合細菌是一類能進行光合作用並產生氫氣的原核生物，屬於細菌門真細菌綱，紅螺菌目　］。產氫

但是在黑暗條件下有機物降解不徹底，分解速度緩慢，產氫效率較低。

第一作者：任麗濱，女，１９８３年生，碩士研究生，主要從事新能源開發的研究。

＊國家「９７３計畫」專案

７１　環境汙染與防治第３２卷第８期２０１０年８月

２光合細菌產氫的影響因素

的產氫能力最佳。菌種的接種量和菌齡會直接影響光合細菌的生理和生長狀態，接種量超過一定範圍

２．１　影響光合作用的因素

不僅會引起細胞生長原料與產氫原料供給不足，同光合細菌中的細菌葉綠素是吸收光子、傳遞能時較高的細胞濃度還會引起光合細菌自我遮蔽現量的重要物質，氧氣的存在能夠迅速抑制光合系統

象。不同菌齡的光合細菌的產氫酶系發育程度不中細菌葉綠素的合成，使產氫量下降。銨鹽中的

同，因此產氫率也不相同。

ｎｈ＋對光合磷酸化有解耦聯的作用，能夠干擾ａｔｐ

的產生，但是該抑制作用可逆，當銨鹽代謝完全後光３光合細菌光合產氫技術

合細菌又能正常產氫。光照波長與光照強度可以影

３．１高產菌種的篩選和製備技術

響光合細菌的光能轉化效率進而影響其產氫能力。光合細菌自身的產氫能力是光合細菌生物產氫當光照強度超過某一極限值時，光合細菌體內會發技術的基礎，可以通過傳統的方法從自然菌種中篩生「光飽和」現象，使光合系統ｉ過量激發導致光合選高產菌種，為高效生物產氫技術提供優質菌種資

效率下降，產氫受阻。

源。目前，雙向聚合酶鏈式反應技術可以從分子水２．２　影響固氮酶及氫酶的因素

平快速鑑定菌種的產氫能力。ｔａｏ等口篩選到

銨鹽是光合細菌生長的有效氮源，但銨鹽的摩一

株高產的紫色脫硫光合細菌，利用丁酸鹽作為底

爾濃度大於１ｍｍｏｌ／ｌ時，銨鹽將抑制固氮酶結構基物時，其產氫速率最高可達１１８　ｍｌ／ｈ。

因的轉錄，終止固氮酶的合成，對固氮酶的合成產生近年來，人們從細胞、分子水平上對光合細菌產「瞬間關閉」效應。因此，可以通過控制環境介質中

氫機制進行了深入研究，並通過基因操作或誘變技銨鹽的濃度來增強固氮酶活性　］。環境中的氧氣能

術改進光合系統，提高光捕獲效率，從而篩選出具有夠鈍化固氮酶的合成，並且該抑制作用是不可逆的。高產氫能力的變異菌株。ｋｏｎｄｏ等［１發現，光合

ｓｃｏｌｎｉｋ等從分子水平研究了影響固氮酶活性細菌變異株中的外周捕光色素蛋白

的因素，發現ｄｒａｇ和ｄｒａｔ組成的內在調節系統能

（ｌｈ　）和核心捕光色素蛋白（ｌｈ　）的含量較低，但夠對固氮酶翻譯後修飾進行調節來改變固氮酶的活

其產氫能力明顯提高，產氫率是野生菌株的１．５倍性。培養基中的ｎ／ｃ是固氮酶表達的決定性因素，左右。ｅｕｉ等口利用遺傳技術得到ｉｈ　中缺失

ｎ／ｃ超過極限值，固氮酶活性就會消失［１。

ｂ８５０～８００複合物的變異株，產氫能在有足夠的還原力時，光合細菌中的氫酶可以力提高了２倍通過ｐｕｆｂａ基因突通過厭氧暗發酵實現產氫，但氫酶還能發生吸氫反變，得到變異株，在８５０　ｎｍ單色應**能量。氧氣能夠使氫酶氧化失活，然而氫酶

光下，變異株的產氫率是原菌株的１．５倍。光合細

對氧氣的耐受性卻遠高於固氮酶。此外，ｃｏ、ｎａｃ１菌的光譜利用範圍低，光能利用效率差，只有當光能都能抑制氫酶的吸氫活性。楊素萍等婦在研究鎳利用率大於１０　時光合產氫技術才具有生產的意義，對氫酶活性的影響時發現，鎳是參與構建氫酶催化

因此可以通過誘變技術擴大光合細菌對太陽光譜的劑的中心結構，鎳離子在光合細菌生長和產氫過程利用範圍來提高光能利用效率口　。氫酶的吸氫活性

中起著分配還原力的作用。

會影響產氫率，利用基因改造獲得吸氫活性缺失的氫２。３　其他影響因素

酶可以提高光合細菌的產氫能力。殷幼平等婦獲得

光合細菌的生長環境如ｐｈ、溫度、底物以及光了吸氫酶大亞基基因ｈｕｐｌ缺失的

合細菌的菌齡、接種量等也會影響產氫率。底物中

ｃｑｕｏ１２變異株，使菌株的產氫率提高了５０　。的有機物和還原性物質可以為光合產氫提供質子或

３．２混合培養產氫技術

電子，在光照厭氧條件下，不同的菌種對底物有一定自然界中，生物反應過程並不能由單一的菌種的選擇性。ｒｅｎ等口　］發現，將丁酸鹽以１：１的質

來完成。不同的菌種對底物的利用具有高度特異

量比加入到醋酸鹽培養基中，可大幅提高沼澤紅假

性，混合培養中多種菌種之間可以發生協同效應，不

單胞菌ｒｌｄ一５３的產氫量和最大產氫速率。王永忠

僅能夠提高生態系統的穩定性，形成良好的微生態

等ｌ１在考察環境條件對沼澤紅假單胞菌產氫行為

產氫體系，而且可以達到徹底降解底物的效果，這種

的影響時發現，光合細菌在ｐｈ為８、溫度為２５℃時

培養方式已經在處理廢水產氫方面顯示出突出的優

７２　『

任麗濱等光合細菌生物產氫技術的研究進展

越性。雖然固定化培養產氫技術可以提高光合細菌產

氫效率，但固定化材料內部傳質阻力大，基質濃度不均一，反饋抑制和阻遏作用強，佔據空間大，不利於工業生產。因此，開發性質穩定、吸附能力強、透光

目前，常用的方法是利用厭氧菌與光合細菌混合培養產氫。工農業廢棄物與廢水成分複雜，多含有大分子有機物，不利於光合細菌的利用，異養型厭

氧細菌在黑暗條件下發酵分解各種大分子有機物，產生甲酸、乙酸、丁酸等小分子有機酸，光合細菌利用小分子有機酸產氫。該混合培養技術不僅減少光

性好、傳質阻力小、成本低的固定化材料是未來固定化培養產氫技術的研究方向。

３．４　利用光生物反應器光合產氫技術

合細菌光能需求，保護淨化環境，同時能夠提高氫氣

光生物反應器是光合細菌培養與產氫的裝置，產量，實現ｆｊ夜連續產氫。張立巨集等從沼氣池活性汙泥中分離出以光合細菌為主的混合菌種，並在蔗糖和可溶性澱粉２種底物中培養產氫，結果發現

混合菌種的產氫率是光合產氫菌種的７．０８、７．４３倍，並且產氫條件更為寬鬆。混合培養可以徹底將大分子有機物降解為ｃｏ　和

ｈ　ｏ，現有的混合培養產氫技術多採用兩步轉化法，即先經過有機物消化然後進行光合細菌產氫，工藝過程比較複雜。而採用一步轉化法同時實現有機物

消化與光合細菌產氫的技術還缺乏控制發酵引數的有效手段。未來應逐步建立**監測技術，實時監測混合菌株的生長與代謝情況，了解各菌株之間的協調作用機制，使微生物代謝向著有利於氫氣產生

的方向進行。

３．３　固定化培養產氫技術

固定化培養產氫技術能夠消除氧氣對固氮酶的抑制，耐受高鹽環境，防止滲透壓對微生物細胞的危害，提高產氫酶系統的穩定性，延長產氫率與產氫時

間，同時固定化培養產氫技術還能夠解決菌體流失及固液分離難的問題。常見的固定化方法有包埋法和吸附法，最近掛膜法也引起了人們的重視。ｚｈｕ

等ｌ＿２。利用聚氨基葡萄糖凝膠固定菌株光合產氫，不僅提高產氫效率，還能通過限

制ｎｈ＋的擴散來降低銨鹽對產氫的抑制作用。張全國等［２胡利用大粒徑陶粒吸附光合細菌，並以消化

預處理後的豬糞為底物進行光合產氫，固定化培養後，細菌總產氫量可達４５２．７　ｍｉ，是對照組游離態

細菌總產氫量的２．１６倍。徐向陽等＿２分別利用瓊脂和海藻酸鈉固定紅假單胞菌菌株ｄ處理有機廢水，產氫率分別為而懸浮的菌株產氫率為廖強等　］在固定化填充床產氫實驗中發現，增加培養基流量能夠消除外擴散傳質阻力，使最大產氫率達到２．６

但是無法消除由固定化材料造成的

內擴散傳質阻力。

可以為光合細菌提供最佳的生長產氫條件。因此，

光生物反應器的設計要求密閉性好，接收與透光性能高，能夠最大限度地提高光化學轉換效率與產氫

率，消除產氫過程中的限制性因素。

光照是光合細菌產氫的重要影響因素，光在光生物反應器**程短，光合細菌在代謝過程中的著

色現象會引起自我遮蔽效應，妨礙光透過性及反應器內光照的均勻性，進而可能會轉變代謝模式，降低產氫率＿２。為了高效地接受光和透過光，可採用具

有高表面積體積比的光生物反應器或內建光源生物反應器。ｋ０ｎｏｄ等＿２］設計了多層光生物反應器，

利用菌株光合產氫，產氫量是平板式光生物反應器的２倍。為了使光傳播到光生物反應器的深處，目前還相繼開發出了內部設定光纖、石英發光體、光擴散板的光生物反應器。ｃｈｅｎ等【２。

設計了一種內外光源結合式光生物反應器，利用碘鎢

燈與鎢燈或者金屬氯化物等作為內光源，使沼澤紅假

單胞菌的產氫能力大大提高，產氫量及光能轉化效率分別達到了９４４　ｍｌ和１．４２　。

相對於連續光照反應器，光照黑暗交替有助於

提高強光下的光能轉化效率。在微氧暗條件下，菌株可以通過呼吸作用下產生ａｔｐ，為光合產氫提供

更多能量，提高固氮酶活性，產氫率大大提高。

ｋｏｋｕ等採用自然光照與黑暗交替的光照模式進行生物產氫，使產氫率大大提高。隨著光照時間延長，光合細菌不斷吸收紅外光使光生物反應器內溫度逐漸上公升，因此利用光生物反應器光合產氫時應篩選耐熱菌株以省去冷卻溫度的能源消耗，降低成本。４前景展望

隨著能源危機與環境惡化等問題日益突出，生產無汙染、可再生的氫氣已成為了各國能源技術開

發的重要計畫專案。光合細菌產氫技術的研究仍處於實驗室階段，目前還存在光能利用率低、氫氣產量

７３　環境汙染與防治第３２卷第８期　２０１０年８月

少、產氫代謝過程穩定性差、反應器綜合控制能力弱等瓶頸問題，嚴重制約著光合細菌產氫技術的產業化發展。為了提高產氫量，今後研究的重點應主要集中在以下幾點：（１）篩選自然界中光能要求小、產

影響［ｊ］．微生物學報

氫活性高的光合細菌，這種方法是在不增加成本的條件下提高產氫量的最基本的方法，並且可以結合

［１３］王永忠，廖強，朱恂，等．靜態培養條件對光合細菌產氫行為的

影響［ｊ］．工程熱物理學報

多種菌株構建乙個穩定的酵解產氫微生態體系，在汙水治理的同時提高產氫量；（２）產氫是多個代謝過程協同作用的結果，單獨改變產氫關鍵酶並不能從

根本上提高光合細菌的產氫能力，可以運用代謝工程這一新興生物技術，找出整個產氫代謝過程的調

控點，利用比較基因組學、功能基因組學、蛋白質基因組學得到調控基因並對其進行遺傳學改造，構建多功能光合產氫菌株；（３）研製連續高效光生物反應

器，並且提高光生物反應器對多種反應動力學指標

如光照強度、氧化還原電位、化學需氧量等的綜合自動控制能力，以便為光合細菌提供最佳的生長產氫

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氫特性研究［ｊ］．工程熱物理學報

口編輯：丁懷　（修改稿收到ｈ期

光合細菌生物產氫技術的研究進展

生物質固化成型技術研究進展與展望

微生物自動鑑定及藥敏系統的研究進展

非晶態合金材料的製備技術研究進展

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