本文不仅通过对新能源的-吉林农业科技学院

光合细菌在新能源开发中的应用刘新建摘要：本文不仅通过对新能源的开发情况，尤其对氢能的详细阐述，说明作为最具开发价值的新能源之一的氢能，对未来发展的重要性；还通过详细论述具有巨大潜在开发意义的光合细菌产氢，让更多人了解其在解决目前人来面临的能源枯竭和生态失衡中发挥的特殊作用。关键词：新能源；氢能；光合细菌PhotosyntheticbacteriaintheNewEnergyDevelopment

LiuXinjian

Abstract:Thispapernotonlythroughthedevelopmentofnewenergysources,inparticular,adetaileddescriptionofthehydrogenonthevalueofasthemostdevelopedoneofthenewhydrogenenergyforthefuturedevelopment;alsodetailthedevelopmentofgreatpotentialsignificanceofhydrogen-producingphotosyntheticbacteria,sothatmorepeopleunderstandthesolutiontothecurrentpeopleinthefaceofenergydepletionandecologicalimbalanceinthespecialroletoplay.

Keywords:newenergysources;hydrogen;photosyntheticbacteria0前言社会生产的发展对能源的需求逐年增加，化石能源的过度利用，不仅造成了社会发展的能源储备不足，还由此引发了一系列环境和生态问题。展望未来发展，人们对新能源的关注日益升温，目前一些新能源利用技术上的突破性研究，为氢能源实际规模化应用点亮了希望之灯。氢能作为一种新能源以其独特优点吸引着很多研究者及能源开发商的目光，光合细菌（PhotosyntheticBacteria,简称PSB）产氢自发现到现在取得了一系列成果，尽管在规模化生产上还需要一段时间，但是其流露出的诱人前景值得我们继续深入研究。1新能源1.1新能源开发的意义新能源是相对于常规能源—技术上比较成熟且已被大规模利用，如煤、石油、天然气、大中型水电等—而言，指尚未规模化利用正在积极研究开发的能源，如太阳能、风能、现代生物质能、地热能、潮汐能以及核能、氢能[1,2]。自1993年我国成为石油净进口国，且进口量逐年增加，国际能源价格的多变，势必对我国经济社会发展造成相当大的影响[3]。日趋恶化的环境形势也迫使我们不断寻求新能源，实现经济、环境和社会的科学发展。即将召开的“2009中国（广州）国际新能源融资论坛暨新能源博览会”提出各国通过发展新能源来抵制今年的金融风暴的新思路[4]。中国政府非常重视并积极发展新能源，近年来陆续颁布《可再生能源中长期发展计划》和《核电中长期发展规划》等。1.2新能源的利用目前得到利用的新能源有：太阳能、核能、化学电源、生物质能、风能、潮汐能、地热能、可燃冰，我国目前利用新能源是燃烧型生物质能，小部分是水电，而太阳能、地热能、风能等利用率都不是很高，且没有形成规模化。2氢能2.1氢能利用特点目前氢能主要用于石化、冶金等工业中作为重要原料、物料；固体氢可用于飞船结构材料；氢也可用于燃料电池，如Ni-MH电池用于手机、笔记本电脑等；其在电动力方面也有广泛的应用，如汽车厂商通用、福特、丰田、奔驰、宝马、克莱斯勒等国际大公司，已经开发研制成功氢燃料电池汽车[5]。氢能利用特点：①燃烧性能好，燃点高，燃烧速度快，即使在严寒环境，也能点火且与空气混合可燃范围宽（4％-75％）；②燃烧形式多样，燃料可直接提供机械动力；③燃烧清洁，不产生任何污染，生成水可循环利用；④燃烧热值大，每千克氢可产生热能120.4MJ，是汽油的3倍，酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍;除核燃料外，所有矿物燃料望尘莫及；⑤热导率和热容高，是极佳冷却工质和热载体；⑥热转化效率高，能量密度高，可以多种形态储存，运送成本低等[3-13]。2.2氢能生产途径2.2.1非可再生资源制氢煤气化制氢：煤作为燃料历时已久，它也是一种重要的化工原料。我国煤炭资源丰富，因此曾经是制氢的主要原料之一，但此法因产生CO2明显高于其他制氢工艺，从温室效应对全球气候变暖的影响和化石能源可使用量逐渐减少的角度考虑，此法会逐渐会被其他方法所代替。天然气制氢：天然气被广泛认为是继木柴、煤炭、石油之后第四代主体能源，也是氢能开发早期主要原料之一，目前最常用、最经济制氢技术是天然气重整技术[6]。2.2.2可再生资源制氢电解水制氢：电解水制氢反应式：2H2O电解→2H2↑+O2↑，电解水制氢的优点---产品纯度高、操作简便、无污染、可循环利用等[6]。为了提高制氢效率,圀高压下进行,采用的压力多为3.0～5.0Mpa且目前电解效率只达到50%～70%[5]。光解水制氢：1972年日本学者Fujishima和Honda对光照TiO2电极导致水分解而产生氢气这一现象的发现，开启了光解水制氢技术的研究，但大多数用于光解水的催化剂仅能吸收紫外光（而其在太阳光中所占比例只有3％左右）。研究开发高效率光解水催化剂是实现此法应用的关键技术[6]。生物质气化制氢：生物质气化制氢是将薪柴、稻草、麦秸等在气化炉（或裂解炉）中进行气化，裂解生成含氢燃料的技术。地球上每年生长的生物质总量为1400亿～1800亿吨干物质，相当于目前总能耗的10倍，其具有分布广，不受地域限制的特点，尤其对能源不足的偏远地区，有很大实用价值[7]。然而气化裂解需要很高的温度，对设备要求也高，如若用清洁能源（如太阳能、电能等）来代替化石能源提供动力，是未来发展的一个方向[7,17]。2.2.3生物产氢绿藻产氢：绿藻属于真核生物，含光和系统I(PSI)和含光和系统Ⅱ(PSⅡ),不含固氮酶，氢气代谢全由氢酶调节，产氢酶对O2很敏感，气相1.5％O2浓度，就会使其失活[2]。因此此法产氢技术关键需要将产生的O2很好分离开，不影响产氢酶活性。蓝藻（又称蓝细菌）产氢：蓝藻是一类能够进行放氧光合作用的原核生物,其固氮酶在催攀催化氢的产生：N2+8H++8e-+16ATP→2NH3+H2+16ADP+16Pi，吸氢酶（提供电子、ATP,去除氧气）可氧化固氮酶放出的氢：2H++e-←→H2,可逆氢酶既可以吸收也可以释放氢气。蓝细菌靠这三种酶共同作用来产生氢气[8]。厌氧发酵细菌产氢：厌氧发酵细菌能在氮化酶或氢化酶作用下能将甲酸、丙酮酸、CO及各种短链脂肪酸等有机物、硫化物、淀粉、纤维等糖类分解产氢气。此法产氢气率低、能量转化率只有33％左右[7]。有人研究用巴氏梭菌(C.pasteurianum)和丁酸梭状芽孢杆菌(C.buytricum)进行过产氢研究，也有人用非硫紫色细菌Rh.gelatinosa和Rh.rubrum(需少量光能)进行热化学—微生物联合产氢：CO+H2O→H2+CO2。此法允许O2、硫化物等存在，该菌对生长条件要求不严格。光合细菌产氢：1937年Nakamura首先发现光合细菌在黑暗条件下的产氢现象。到1949年，Gestmen报道深红螺菌（Rhodospirilumrubrum）在光照条件下产氢，人们对PSB光合产氢的机制进行了不断探索，PSB光合产氢的能量转化率理论上高于厌氧菌的厌氧黑暗产氢过程（2.845×106﹥0.950×106），Hillmer和Gest测得PSB从乳酸和葡萄糖中产氢的实际能量转换效率达到72％和32％[5]。在光照条件下，PSB的固氮酶在缺少其生理性基质N2或产物NH4+时能还原质子放出H2；由于其只含PSI，且电子供体不是水而是有机物或还原态硫化物,所以光合磷酸化过程不放氧，这种产氢不放氧的特性（与蓝细菌和绿藻相比）,可大大简化生产工艺，省去产物O2和H2的分离，也不会造成固氮酶活性的丧失[10]。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]。其在分类学上地位[12]（见图1）：图1光合细菌分类目前研究较多的产氢光合细菌主要有:深红红螺菌（Rhodospirillumrubrum）、球形红细菌（Rhodobactersphaeroides）、荚膜红细菌（Rhodobactercapsulatus）、沼泽红假单胞菌（Rh.palustrisZ202）、紫色非硫细菌（Purplenon-sulfurbacteria）[5～23]等。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1mol的H2，至少需消耗4mol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]。PSB光合产氢的基本过程如图2所示[9,10]：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。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.PZhang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(-420mV,pH值7.0)。若体系电位为-465mV,放氢反应率最大;-420mV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