蓝细菌制氢研究进展

《蓝细菌制氢研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、蓝细茵制氮研究进展喻国策*王建龙（淸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z—。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呆和产氢的环境条件。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牛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。关键词蓝细菌氢坏境条件突变株光生物反应器收稿口期：20050519修回口期：20051008*电子信箱：yugc@tsinghua.edu.cn传统的化石能源日渐枯

2、竭，并J1化石燃料的使用会引起温室效应和严重的环境污染，寻找可再生的淸洁能源是社会可持续发展的迫切要求。氢是—•种能量密度髙、无污染、用途广泛的理想的含能体能源，在将來可能部分其至完全替代传统的化石能源。目前，制氢技术主要包括采川化右燃料制氢和电解水制氢两条途径［1］,前者需要消耗大量的右汕、犬然气和煤炭等不可再生资源，厉者需要消耗大量的电能，两种方法成本高昂，难以摆脱对化石燃料的依赖。生物制氮是-•条能够利用可再生资源的坏境友好的途径，它具有反应条件温和、过程淸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儿种方式。其屮，利用蓝细菌制氢由于

3、蓝细菌的下述特征而成为理想的生物制氢方式Z-：（1）蓝细菌能够直接光解水放氢，将太阳能转化为氢能；（2）蓝细菌牛长营养需求低,只需空气（C02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）［2］。蓝细菌制氢作为一种有前途的牛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川单元，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。蓝细菌屮参与氮代谢的酶主要仃固氮酶、吸红酶和可逆氢酶（或称双向氢酶），其中，固氮酶在催化固氮的同时催化氢的

4、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釋放氢气［2,3］。蓝细茵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。常见的固氮酶是钥固氮酶，由固氮酶（MoFe蛋白）和固氮酶还原酶（Fe蛋白）组成，MoFe蛋白是约220~240kDa的杂四聚体（NifD和NifK）,Fe蛋白是约60~70kDa的二聚体（NifH）0Fe蛋口将外部电子供体的电子传递给MoFe蛋口，MoFe蛋口将氮还原为氨，同时催化质子的还原：N2+8H++8e+16ATP-2NH3+H2+16ADP+16Pio蓝细菌或在无氧条件下固氮，

5、或将固氮和放氧在吋间或空间上分离。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。固氮酶除钥固氮酶外，还包括饥固氮酶和铁固氮酶，饥固氮酶和铁固氮酶可以为质子述原分配更多的电子，因而具有比钥固氮酶更强的放氢能力［3］。氢酶口J以催化反应2H++2eH2,蓝细菌吸氢臨和口J逆氢酶都是NiFe氢酶。吸氢酶存在于所令固氮的单细胞和丝状蓝细菌中。吸氢酶与膜相结合，在一些丝状蓝细菌屮仅在异形胞屮表达，在营养细胞屮没仃或仅令极少活性。吸轼酶至少由约60kDa和35kDa的两个亚基(HupL和HupS)组成。吸氢

6、酶对氢.的冋收具有三方而功能：(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［3］。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。口J逆氢酶是可溶的或松散地结合在膜上。可逆氢酶是山氢酶(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［3］。2蓝细菌产氢的速率Bcnemann等［4］于1974年

7、发现了Anabacnacylindrica在光下氮气环境中的放氢现彖。至今，蓝细菌放氢研究已有30年历史。目前，蓝细菌氢的产率尚耒达到实际应用的耍求，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。比较深入的放红研究主要是针对少数Anabaena属和Nostoc属异形胞蓝细菌，如A.cylind