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光合生物制氫

時間:2015-07-13 12:08來源:未知 作者:admin點擊:
光合細菌是能在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用有機物作供氧體兼碳源,進行光合作用的細菌,而且具有隨環境條件變化而改變代謝類型的特性。能夠實現光生物制氫的微生物有3類:好

光合細菌是能在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用有機物作供氧體兼碳源,進行光合作用的細菌,而且具有隨環境條件變化而改變代謝類型的特性。能夠實現光生物制氫的微生物有3類:好氧型綠藻、藍綠藻和厭氧型光合作用細菌。這些所謂的光氧生物將光作為能源,充分利用太陽能,進行只放氫不產氧活動。其中光合作用細菌比藍藻和綠藻的產氧純度和產氫效率要高。同時,光合細菌產氫條件溫合,能利用多種有機廢棄物作底物進行產氫,實現能源生產和廢棄物利用雙重效果,故光合細菌制氫被認為是未來能源供給的重要形式和途徑。

Gaffron、Rubin和Spruit同時報道了利用光生物過程進行產氫和氧,就是利用太陽能和光合微生物進行有效產氫過程[18,19]。光合細菌產氫過程可以通過兩種途徑實現:去除全球溫室氣體CO2,生成非污染的可再生的能源(通過綠藻和藍細菌的生物光合作用);利用對環境生態有害的廢棄物作為底物(通過光合細菌的光發酵)。自從Gest首次證明光合細菌可利用有機物作為供氫體,實現光合作用防放氫以來,光合放氫機制的研究始終是研究的熱點和難點。日本、美國、歐洲的科研人員對此做了大量的研究,但光合放氫過程非常復雜而且精密性較高,目前的研究還主要集中在高活性產氫菌株的篩選、優化以及環境條件的選擇上,目的是提高產氫量,研究水平的規模還基本處于實驗室階段。

與熱化學和電化學制氫相比,光合生物制氫有很多局限性,產氫率很低。理論上,在直接生物光合作用的過程中,2mol水科研生成2mol氫氣;在非直接的生物光合作用中,1mol葡萄糖中可以生成12mol氫氣;在光發酵過程中,1mol乙酸中可以產生4mol氫氣。但是實際的產氫率比最大的理論產氫率低得多,其原因是在藻類和藍細菌中涉及產氫酶,如果化酶和固氮酶,體系產生的氧氣使其活性迅速降低。利用紫色光合細菌進行產氫的優勢在于沒有氧氣的干預,但是氫化酶的吸收使整個過程的產氫率降低。

1.原理
光合微生物的生理功能和新陳代謝作用是多樣化的,因此其具有不同的產氫路徑。光合生物制氫路徑如圖3-4所示(P106)。藍藻和綠藻通過直接和間接光合作用都可以產生氫氣。
藍藻和綠藻的直接光合作用產氫過程是利用太陽能直接將水分解生成氫氣和氧氣。在捕獲太陽能方面顯示出類似高等植物一樣的好氧光合作用,其中包含兩個光合系統(PSⅠ和PSⅡ)。當氧氣不足時,氫化酶也可以利用來自鐵氧化還原蛋白中的電子,將質子還原,產生氫氣。在光反應器中,細胞的光合系統PSⅡ受到部分抑制會產生厭氧條件,因為只有少量水被氧化生成氧氣,殘余的氧氣通過呼吸作用被消耗了。
化學反應式為
2H2O+hν→O2↑+4H++Fd(red)(4e-)→Fd(red)(4e-)+4H+→Fd(ox)+2H2
間接的生物光合作用是有效地將氧氣與氫氣分開的過程,尤其在藍藻中最常見,存儲的碳水化合物被氧化,而產生氫氣。
化學反應式
12H2O+6CO2→C6H12O6+6O2;C6H12O6+12H2O→12H2+6CO2
在厭氧的黑暗條件下,丙酮酸鹽鐵氧化還原蛋白的氧化還原酶使丙酮酸鹽失去碳酸基,乙酰輔酶A通過鐵氧化還原蛋白的還原作用生成氫氣。丙酮酸脫氫酶(PDH)會在丙酮酸鹽的代謝過程中產生NADH,在陽光較少的地方,鐵氧化還原蛋白被NADH所還原。固氮的藍細菌主要通過固氮酶產生氫氣(將N2固定為NH3),而不是通過有雙向作用的氫化。然而在很多沒有固氮的藍細菌中,通過具有雙向作用的氫化酶,也能觀察到氫氣的生成。
兩類主要的光合作用細菌有紫色細菌和綠色細菌,只利用一個光系統進行光合作用。綠細菌具有PSⅠ型反應中心。無機/有機的底物被氧化,給出電子,通過FeS蛋白將鐵氧化還原蛋白還原。對于暗反應以及產氫反應而言,被還原的鐵氧化還原蛋白直接作為電子給體。相比較而言,紫色細菌含有類似反應中心的PSⅡ體系,它不能還原鐵化還原蛋白,但是可以通過循環電子流產生ATP。固氮酶促進的氫氣釋放過程所需要的電子來自于無機/有機的底物。通過反應中心細菌葉綠素進入"苯醌池"。 苯醌的能壘不足夠負,去直接還原NAD+。因此,來直苯醌池的電子會被迫反過來還原NAD+為NADH。這個過程所需要的電子被稱為逆電子流。在整個過程中并沒有氧氣的生成,所產生的氫氣凈總量受氫化酶活性的影響。有研究表明,在生物光合作用產氫方面,紫色細菌的光合作用被認為是最好的,因為紫色可以利用工業廢物和發酵過程的幅產物(比如有機酸等)。

2. 光生物反應器
為了提高生物制氫的產氫率,人們設計了各種光生物反應器。在光生物反應器,光能被轉化為生物化學能。光生物反應器區別于其他普通反應器的最基本的因素為:反應器是透明的,使光最大限度地透過;能源是瞬時的,不能存儲于反應器中;細胞發生自身遮蔽。自身遮蔽導致額外吸收的能量發生損失,熒光和熱會使溫度升高,生物反應器需要附加冷卻系統。反應器的厚度通常較小,從而增加反應器面積與體積比,避免細胞自我遮蔽的影響。
影響光生物反應器制氫效率的因素很多,為了提高光合物的制氫量以及生物量,人們設計了多種生物反應器,在眾多的反應器中,目前應用最多的是管狀平板立柱式光生物反應器。各種光生物反應器都有各自的優缺點,比如在管式光反應器中,可以得到較大的光輻照面積,但是由于光合作用產生的溶解氧濃度較高以及泵輸入的能量也較多,使這種反應器的規?;艿搅讼拗?。在立柱式的光生物反應器中,光的輻照面積較小,但是由于其形狀小巧、價格低廉、容易操作以及可以用鼓泡的方法進行攪拌等因素,在微藻類和光合作用細菌進行制氫時,立柱式光生物反應器仍然得到了廣泛應用。在平板式反應器中,光合作用效率高、氣壓可控。與其他反應器相比成本低,但是其在制氫過程中,卻很難保持培養溫度的恒定以及適當的攪動。
除了光生物反應器的形狀對制氫效率的影響之外,光生物反應器的物理化學參數也影響著氫氣的產生,例如溶液的pH值、溫度、光強、光穿透的深度、溶解氧、溶解CO2、攪動、氣體交換、碳源和氮源以及兩者的比例等。光生物反應器是敞開的還是封閉的,將影響這些物理化學參數的設定。
限制生物法大規模制氫的主要因素是只有有限的光能透射進入反應器深處;外部光源通過光纖光纜被放入反應器的較深區域,并且使光源均勻分布。這種分散的光源對制氫起到關鍵的作用。

3.生物產氫酶
在生物制氫過程中,有兩種主要的酶,即氫化酶和固氮酶,它們在生物產氫中起到催化的作用,將質子H+還原,生成分子H2。這兩種酶都屬于金屬蛋白。
1)氫化酶:生物所發生的一系列分解水產氫行為,都基于連續排列的具有催化功能的氫化酶亞單元;據研究,存在3種不同類型的氫化酶,即[NiFe]氫化酶、[FeFe]氫化酶和Fe-S氫化酶,其中Fe-S氫化酶后來被命名為[Fe]氫化酶;每種酶中都存在著具有特定功能的核。[FeFe]氫化酶的產氫量較高,而[NiFe]氫化酶的耐氧能力較強,[Fe]氫化酶不參與產氫行為。[Fe]氫化酶通過H2將CO2催化還原為甲烷,依賴這種酶的細菌大部分都是產烷生物。
2)固氮酶:固氮酶對于農業生產是非常重要的,因為通過固氮作用,可以將大氣中的N2轉化為NH3,為土壤進行了自然施肥。固氮酶主要進行固氮的同時,也能產生氫氣。研究發現,在氮氣有限的條件下,固氮酶能產生較多的氫氣。
生物產氫酶在生物制氫過程中起到重要的作用,但是研究發現大部分的生物產氫酶都會對氧氣非常敏感。在分解水產氫的過程中,氧氣的產生是不可避免的,于是生成氫氣的連續性就會受到影響。目前為止只有少數的氫化酶表現出對氧氣的耐性,人們也嘗試了很多辦法去培育能對氧耐受的變異體。據觀察,海藻氫化酶是最小最簡單的氫化酶,其對氧失活最敏感,由于只有活性位點所在的H組編碼,所以海藻氫化酶對氧失活更敏感一些。而F組編碼可以保護活性位點,避免其發生氧氣失活。H組的氨基酸順序或者活性位點區域的氨基酸成分是非常關鍵的,直接關系到其對活性位點的保護,避免受到氧氣的影響。

固氮酶對氧氣也敏感,但是與氫化酶相比,其對氧氣的敏感性要相對小一些。固氮酶主要存于厭氧的原核生物中,也存在于藍細菌中。通過異核細胞,厭氧氫的產生與好氧光合作用隔離開來。在氮氣有限的條件下,有利于氫的產生,同時氫的產生是一個高耗能的過程。

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