（微生物与生化药学专业论文）外加电场辅助质子传递供类球红细菌光合产氢研究.pdf

捅蛋 外加电场辅助质子传递供类球红 细菌光合产氢研究 微生物与生化药学专业硕士研究生：邓文武 指导老师：叶姜瑜副教授 捅要 氢能由于其可再生、清洁、高效而成为最具发展前景的替代能源。光合细菌 ( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ，p s b ) 能将光能利用和有机物的去除有机地结合在一起 制取氢气，具有产氢速率快、产氢纯度高等特点，但目前利用光合细菌制氢技术 研究仍处于实验阶段，氢的生产率仍然较低，严重制约着光合产氢技术发展。为了 实现光合菌细菌制氢技术产业化应用，还需进一步深入研究开发新技术。为了提高 光合细菌的生产率，考虑由外界系统向光合细菌产氢系统提供产氢原料质子来提 高光合细菌产氢的产氢量。本文运用双极室反应器阳极室微生物氧化分解有机物 释放质子，质子在外加电场的作用下通过质子交换膜传递到阴极室，阴极室中的 光合细菌利用这些质子进行光合产氢，从而提高其产氢量。 本文以类球红细菌( r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s ) 为研究对象。首先研究了足 s p h a e r o i d e s 生长和光合产氢的优化条件以及利用混合底物产氢的性能；然后对r s p h a e r o i d e s 进行外加电场的驯化，使其适应微电场环境，并运用b i o l o gg n 微孔 板分析了外加电场对足s p h a e r o i d e s 的碳源代谢的影响；再研究用外加电场辅助质 子传递供r s p h a e r o i d e s 光合产氢，以及r s p h a e r o i d e s 与其它降解菌在产氢关系 上的生态关系。研究结果表明： ( 1 ) 足s p h a e r o i d e s 在p h7 肛8 o ，光照强度3 0 0 0 i x ，温度3 0 3 5 ，以厌氧光 照的条件下生长最好。 ( 2 ) r s p h a e r o i d e s 光合产氢的最佳条件为：4 8 h 种子液，p h 7 0 7 5 ，光强强度 3 0 0 0 7 0 0 0 l x ，温度3 0 - 3 5 。 ( 3 ) r s p h a e r o i d e s 能够利用多种不同碳源光合产氢，但其产氢活性对底物具 有选择性，其中葡萄糖具有最大的氢产量和平均产氢速率，达2 6 2 5 l l 和 1 6 6 m l l h ，琥珀酸钠具有最大的底物转化效率达5 4 8 ；用琥珀酸钠与葡萄糖 按1 5 ：1 5 ( m m o l l ) 为混合底物产氢时，氢产量，平均产氢速率和底物转化率分别 提高了3 5 3 ，3 5 5 和3 5 3 。 ( 4 ) 双极室反应器辅助足s p h a e r o i d e s 光合产氢，阳极室中加入阳极驯化的足 两南大学硕十学何论文 s p h a e r o i d e s 为降解菌，3 0 0 0 i x 厌氧光照培养，丁二酸钠为供给碳源，外加电势0 3 v 时，阴极室中r s p h a e r o i d e s 的产氢结果最好，同纯培养相比，产氢量提高了8 5 7 。 证明r s p h a e r o i d e s 能够利用外加系统提供的质子催化生成氢气。 ( 5 ) 用b i o l o gg n 微孔板分析外加电场驯化后r s p h a e r o i d e s 的碳源代谢发现， 阳极驯化的足s p h a e r o i d e s 丰富度指数( s ) 增加了9 ，阴极驯化的r s p h a e r o i d e s 丰富度指数( s ) 略有下降，但是两株细菌的平均颜色变化率( a w c d ) 都有明显 提高，说明外加电场能够提高r s p h a e r o i d e s 的代谢活性。 ( 6 ) 双极室反应器辅助r s p h a e r o i d e s 产氢能够提高其产氢量，其机理可总结 为：阳极室为r s p h a e r o i d e s 产氢系统提供外来产氢原料质子，同时，质子还能调 节产氢的p h 环境；另外，外加电场能够提高尺s p h a e r o i d e s 的代谢活性。 ( 7 ) 双极室反应器阳极室分别加入r s p h a e r o i d e s 、沼泽红假单胞菌 ( r h o d o p s e u d o m o n a s p a l u s t r i s ) 、大肠杆菌d h 5 a ( e s c h e r i c h i a c o l id h 5 a ) 、大肠杆菌 b l 2 1 ( e s c h e r i c h i a c o l ib l 2 1 ) 以及固定化的盐生盐杆菌( h a l o b a c t e r i u m s a l i n a r u m ) 浓缩细胞p c ( s a p c ) 均能提高阴极室尼s p h a e r o i d e s 光合产氢能力， 其中当阳极室为r s p h a e r o i d e s 时效果最好；另外，阳极室均未出现酸化现象。 关键词：类球红细菌光合产氢外加电场双极室反应器驯化b i o l o g a b s t r a c t p r o t o nt r a n f e ra s s i s t e db ye x t e r n a le l e c t r i cf i e l df o r r h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e sh y d r o g e n - p h o t o p r o d u c t i o n m a j o r ：m i c r o b i o l o g y & b i o c h e m i c a lp h a r m a c y d i r e c t i o n ：m i c r o b i a lf u n c t i o n a lg e n o m i c s & d r u gs c r e e n i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r y e ji a n g y u a b st r a c t h y d r o g e nb e c o m et h em o s tp r o m i s i n ga l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e sb e c a u s eo fi t s r e n e w a b l e ，c l e a na n de f f i c i e n ta n do t h e rp r o m i n e n ta d v a n t a g e s t h ep h o t o s y n t h e t i c b a c t e r i ac a nu s et h ee n e r g yo fl i g h ta n de l i m i n a t et h eo r g a n i cm a t t e rt op r o d u c t h y d r o g e n ，a n dt h es p e e do fh y d r o g e np r o d u c t i o nq u i c k l y ，t h ep u r i t yo fh y d r o g e n h i g h t l ya n ds oo n ，b u tp r e s e n tr e s e a r c hw a ss t i l la tt h el a b o r a t o r ys t a g e ，t h eh y d r o g e n p r o d u c t i v i t yw a ss t i l ll o w , t h eh y d r o g e n p h o t o p r o d u c t i o nt e c h n o l o g i c a li sr e s t r i c t s s e r i o u s l yo nd e v e l o p m e n t i no r d e rt or a i s et h ep r o d u c t i v i t yo fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a , w ec o n s i d e r e dt h a t p r o v i d e t h e p r o t o nb y t h e o u t s i d e s y s t e m t ot h e h y d r o g e n p h o t o p r o d u c t i ns y s t e mo ft h ep h o t o s y n t h e s i sb a c t e r i u mt oe n h a n c et h e h y d r o g e np r o d u c t i o n t h i sa r t i c l eu s et h ed o u b l ec h a m b e rr e a c t e rt or e s e a r c h , t h e o r g a n i cm a t t e ro x y g e n o l y s i sr e l e a s ep r o t o n si nt h ea n o d ec h a m b e r ，t h ep r o t o n st h r o u g h t h ep r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e ( p e m ) t ot h ec a t h o d ec h a m b e rb ye l e c t r i cf i e l d a s s i s t e d ，p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i au s et h e s ep r o t o n st op r o d u c eh y d r o g e ni nt h ec a t h o d e c h a m b e r ，t h u st oe n h a n c e sh y d r o g e np r o d u c t i o n t h eo b j e c to fs t u d yi sr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s f i r s t , w ew e r es t u d i e dt h e o p t i m i z e dc o n d i t i o no fr s p h a e r o i d e si ng r o w t ha n dh y d r o g e np r o d u c t i o n ，a sw e l la s s t u d i e dt h ep e r f o r m a n c eo fm i x e ds u b s t r a t et op r o d u c th y d r o g e n ；t h e nc a r r yo nt h e e x t e m a le l e c t r i cf i e l dt od o m e s t i c a t e 兄s p h a e r o i d e s ，c a u s ei tt oa d a p tt ot h em i c r o e l e c t r i cf i e l dc i r c u m s t a n c e s ，a n dd o m e s t i c a t e dr s p h a e r o i d e sh a sa n a l y z e dt h ec a r b o n s o u r c em e t a b o l i s mi n f l u e n c ef r o me x t e r n a le l e c t r i cf i e l db yt h em i c r op l a t eo fb i o l o g g no fb i o l o gg n ；f i n a l l y ，w es t u d i e da b o u tt h ee x t e r n a le l e c t r i cf i e l da s s i s t ep r o t o n t r a n f e rf o rr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sh y d r o g e n p h o t o p r o d u c t i o n ，a n dt h ee c o l o g i c a l h i 两南大学硕十学何论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼皇! 曼! 皇曼曼曼鼍皇量曼曼! 曼蔓曼皇量巴皇皇曼曼曼曼舅曼量曼! 曼! 曼曼曼曼i 曼曼曼量曼曼曼曼曼曼鼍曼曼 r e l a t i o n s h i po nh y d r o g e np r o d u c t i o nb e t w e e nr s p h a e r o i d e sa n do t h e r sb a c t e r i a t h e r e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) 足s p h a e r o i d e sg r o w sw e l li np h7 0 - 8 0 ，t h es t r e n g t ho fi l l u m i n a t i o n3 0 0 0 i x ， t h et e m p e r a t u r eb e t w e e n3 0 - 3 5 ，a n da n a e r o b i cl i g h tc o n d i t i o n ( 2 ) t h eo p t i m u mc o n d i t i o no fr s p h a e r o i d e sh y d r o g e n - p h o t o p r o d u c t i o ni s ：4 8 h s e e df l u i d ，p h 7 o 7 5 ，l i g h ti n t e n s i t yf o r3 0 0 0 - 7 0 0 0 1 x ，t e m p e r a t u r ef o r3 0 3 5 ( 3 ) r s p h a e r o i d e sc a nu s em a n yk i n d so fd i f f e r e n tc a r b o ns o u r c et op r o d u c e h y d r o g e n ，b u th y d r o g e np r o d u c t i o na c t i v i t yt os u b s t r a t eh a v et h es e l e c t i v i t y ，g l u c o s e h a st h eb i g g e s th y d r o g e no u t p u ta n dt h ea v e r a g eh y d r o g e np r o d u c t i o nr a t e ，r e a c h e d 2 6 2 5 m l 几a n d16 6 m l l h s o d i u ms u c c i n a t eh a st h em a x i m u ms u b s t r a t ec o n v e r s i o n r a t et or e a c h5 4 8 ；w h e ns o d i u ms u c c i n a t ea n dg l u c o s ea c c o r d i n gt o15 ：15 ( m m o l l ) m i x e dt op r o d u c eh y d r o g e n ，t h eh y d r o g e no u t p u t ，t h ea v e r a g eh y d r o g e np r o d u c t i o n r a t ea n dt h es u b s t r a t ec o n v e r s i o nr a t ee n h a n c e d3 5 3 ，3 5 5 a n d3 5 - 3 ，s e p a r a t e l y ( 4 ) w h e nu s et h ed o u b l ec h a m b e rr e a c t e rt or e s e a r c hh y d r o g e np r o d u c t i o nf r o m r s p h a e r o i d e s ，t h ea n o d ec h a m b e r 丽t ht h ea n o d ed o m e s t i c a t e dr s p h a e r o i d e sa st h e d e g e n e r a t i o nb a c t e r i a , t h el i g h ti n t e n s i t y f o r3 0 0 0 1 xa n a e r o b i cc u l t u r e ，s o d i u m s u c c i n a t ea s t h e s u p p l i e s c a r b o ns o u r c e ，e x t e r n a lv o l t a g eo 3 v ，t h er e s u l to fr s p h a e r o i d e sh y d r o g e np r o d u c t i o nt ob eb e s ti nt h ec a t h o d ec h a m b e r ，c o m p a r e dw i t h t h ep u r ec u t u r e ，t h eh y d r o g e no u t p u tt oe n h a n c e8 5 7 p r o v e dr s p h a e r o i d e sc a nu s e t h ep r o t o n sw h i c ht h es a t s y s t e mp r o v i d e dt op r o d u c eh y d r o g e n ( 5 ) t h er e s u l t so fe x t e r n a le l e c t r i cf i e l dd o m e s t i c a t e d 足s p h a e r o i d e sc a r b o n s o u r c em e t a b o l i s ma n a l y s i sb ym i c r op l a t eo fb i o l o gg ni s ：t h ea n o d ec h a m b e r d o m e s t i c a t e d 足s p h a e r o i d e st h es o l ec a r b o ns o u r c eu t i l i z a t i o n ( s ) i n c r e a s e d9 ，t h e c a t h o d ec h a m b e rd o m e s t i c a t e dr s p h a e r o i d e ssh a st h ed r o ps l i g h t l y ，b u tt h ea v e r a g e w e l lc o l o rd e v e l o p m e n t ( a w c d ) o ft h e mh a st h ed i s t i n c te n h a n c e m e n t ，e x p l a i n e dt h a tt h e e x t e r n a le l e c t r i cf i e l dc a nb et oe n h a n c et h em e t a b o l i s ma c t i v i t yo fr s p h a e r o i d e s ( 6 ) r s p h a e r o i d e sa s s i s t e db yt h ed o u b l ec h a m b e rr e a c t e rt op r o d u c eh y d r o g e n t ob ea b l et oe n h a n c eh y d r o g e no u t p u t ，t h em e c h a n i s mm a ys u m m a r i z et h a t ：t h ea n o d e c h a m b e rt op r o v i d et h ee x t e r n a lp r o t o n sf o rt h eh y d r o g e n - p r o d u c t i o ns y s t e mo fr s p h a e r o i d e s ，s i m u l t a n e o u s l y ，t h ep r o t o n sa l s oc a nb et oa d j u s tt h ep he n v i r o n m e n t ；i n a d d i t i o n ，t h ee x t e r n a le l e c t r i cf i e l dc a nb et oe n h a n c et h em e t a b o l i s ma c t i v i t yo fr s p h a e r o i d e s ( 7 ) w h e na n o d ec h a m b e rj o i n s 足s p h a e r o i d e s ，足p a l u s t r i s , e c o l id h 5 a ，e c o l i b l 21a n d 月= s a l i n a r u ml i v e si nf o s s i l i z a t i o ns a l tt os a - p c ，s e p a r a t e l y ；t h e i v a b s t r a c t h y d r o g e n p r o d u c t i o na b i l i t yo fr s p h a e r o i d e st ob ea b l et oe n h a n c ei nt h ec a t h o d e c h a m b e r ；r s p h a e r o i d e si nt h e a n o d ec h a m b e ri st h eb e s t ；m o r e o v e r ，t h ea n o d e c h a m b e rh a sn o tp r e s e n t e dt h ea c i d i f i e dp h e n o m e n o n k e yw o r d ：r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s ；h y d r o g e n - p h o t o p r o d u e t i o n ；e x t e r n a l e l e c t r i cf i e l d ；d o u b l ec h a m b e rr e a c t e r ；d o m e s t i c a t i o n ；b i o l o g v 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：及尸友式 导师签名： 签字日期： 函肜年多月日 签字日期 l b 1 文献综述 1 文献综述 1 1 能源与环境概述 能源的每次变革都对人类文明的进步起着巨大的推动作用，它是人类文明的物 质基础，是社会经济发展的动力，是人类社会存在的基石。能源有多种分类方法， 按形成方式可分为一次能源和二次能源；按循环方式可分为不可再生能源和可再 生能源；按使用性质可分为含能体能源和过程能源；按环境保护的要求可分为清 洁能源：按现阶段的成熟程度可分为常规能源和新能源i l j 。 当前人类消费的主要能源是化石能源，但由于人口的增长和人类物质、文化 生活水平的不断提高，由于被大量开采，化石能源面临枯竭。在全球范围内与能 源危机相伴的另一个严峻的问题是环境变化。众所周知，化石燃料燃烧所产生的 如二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物、烟尘、飞灰以及其它有机化合物等造成越来 越严重的环境污染、温室效应和酸雨等【2 ，3 1 。给生态系统和人类本身带来极大的危 害。因而开发新能源尤其是可再生的清洁能源已成为全世界的共识，成为确保人 类正常生活及其紧迫的问题，成为保持世界经济可持续发展的必然选择【4 】。 1 2 氢能及其应用和生产 从发展清洁能源的角度来看，氢是最理想的载能体，已引起人们的广泛重视。 科学家认为，氢能在二十一世纪将成为一种举足轻重的能源。为什么氢能将是人 类未来的能源? 因为其具备其他能源所没有的一些特点p j ： ( 1 ) 氢的资源丰富。宇宙中7 5 的质量由氢元素构成，取之不竭，用之不尽。 在地球上的氢主要以化合物，如水和碳氢化合物：石油、天然气等形式存在。来 源多种多样，极其丰富。 ( 2 ) 氢能是最环保的能源。氢气燃烧产物是最纯净的物质一水，不会对环境产 生任何污染，远比化石燃料洁净。 ( 3 ) 氢的能量密度高。氢是元素周期表中最轻的元素，与其它物质相比，除核 燃料外，具有最高的能量比，达到3 4 1 5k c a l g ；约为石油的3 倍1 6 j 。 ( 4 ) 氢便于储存和运输。像天然气一样，氢气可以很容易地大规模储存。这是 和电、热等最大的不同。太阳能、风能等分散间歇发电装置及电网负荷的峰谷差 或其他大量廉价电能都可以转化为氢能储存。氢适于管道运输，可以和天然气输 送系统共用；在各种能源中，氢的输送成本最低，损失最小，优于输叫7 1 。 ( 5 ) 氢具有可再生性。氢通过化学反应产生电或热能并生成水，而水又可转化 为氢和氧。 两南大学硕十学何论文 由于氢具有以上特点，可以同时满足资源、环境和可持续发展的要求而倍受 瞩目。氢作为理想的清洁能源，其用途主要有以下几个方面：( 1 ) 目前，氢主要 用于日用品，如氨生产、石油化工、甲醇生产等。同时在其它市场如电子、玻璃 品和冶金等也有一定的应用1 7 。( 2 ) 氢作为燃料使用，可用于汽车、火车、轮船 和飞机等，也可用于加热设备。( 3 ) 近几年来，氢又被广泛用于燃料电池。氢燃 料汽车减少了对汽油的依赖和温室气体的排放，受到越来越多的关注】。 传统的氢气的生产方法主要有天然气煤气化法、汽化重整法、天然气或轻油 催化裂解法和水电解法，从一次性能源如从煤、石油和天然气等化石燃料制取氢 气存在严重的污染环境问题等，而且同样需要消耗储量有限的化石能1 9 1 。从非化 石燃料，如已具规模化生产的电解水制氢法，虽然电解水的工艺、设备均在不断 的改进，但电解水制氢能耗仍然存在成本高，耗能大的缺点。烃类水蒸汽重整制 氢反应是强吸热反应，反应时需外部供热且热效率较低，反应温度较高，能耗较 高，造成资源的浪费。重油氧化重整制氢法，反应温度较高，制得的氢纯度低， 不利于能源的综合利用。从目前世界氢产量来看，9 0 是由天然的碳氢化合物一 天然气、煤、石油产品中提取的，4 是用水电解法制取的【10 1 ，从长远观点分析， 不符合可持续发展的需要。 生物制氢是通过发酵或光合微生物的作用，将有机物分解，获得氢气，与传 统的物理化学方法相比，有清洁、低能耗等许多突出的优点。迄今为止，已研究 报道的产氢生物类群包括了光合生物( 厌氧光合细菌、蓝细菌和绿藻) ，非光合生 物( 严格厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌和古细菌类群) 等，其中，光合细 菌产氢可以在常温常压下进行，且产量大、纯度高，此外光合细菌代谢变通性好、 生长速度快、适应性强；产氢的速度要比藻类快、能量利用率比非光合细菌高、 转化效率高；对太阳光谱的响应范围宽且能经受高强度的光照，能够耐低温( 即使 冰冻也不会死亡) 、耐高盐度和高浓度有机废水等等优点。光合细菌产氢可将太阳 能利用、氢能源回收、废水处理等有机地结合起来，不仅治理了环境污染而且使 废弃物资源化、能源化，被认为是很有希望的绿色氢能源的来源之一，具有广阔 的应用前景，备受国内外研究者的关注。但是生物制氢技术还很不成熟，大多数 研究都集中在纯细菌研究和细胞固定化技术上，如探讨产氢菌种的筛选及包埋剂 的选择等。因为这些研究思路和方向不适宜，迄今在基础理论和应用技术研究方 面均无明显突破。制约发展的主要原因是：研究规模和产氢能力水平低；纯菌种产 氢能力低下、需要细胞固定化等原因使工业化大规模生产氢气难以实现，有待找 到新的方向和技术加以突破。 近几年一种叫生物电化学系统( b i o e l e c t r o c h e m i c a ls y s t e m sb e s s ) ，又叫生物 电化学辅助微生物反应器( b i o e l e c t r o c h e m i c a l l ya s s i s t e dm i c r o b i a lr e a c t o r ， 2 1 文献综述 b e a m r ) 的技术越来越引起各国氢能研究者的注立1 1 1 ，l 引。它是一种修饰过的燃料 电池，燃料电池是微生物氧化分解有机物释放出质子和外激电子，质子通过质子 交换膜( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e ，p e m ) 传递到阴极，微生物将外激电子传递 给阳极然后由导线传递到阴极同质子结合生成水，电子的传递而形成电能。而 b e a m r 是使阴极处于厌氧状态，质子和电子通过很低的外加电压打破发酵屏障 ( f e r m e n t a t i o nb a r r i e r ) 直接生成氢气。l i u 等1 1 1 i 用乙酸钠为底物，外加电压0 2 5 v ， 乙酸钠降解产生的质子9 0 都转化成了氢气。l o g a n 等【1 2 】发现，乙酸钠为底物氢 气产率达2 9 3 9 m o l m o l ( 理论最大产率为4 m o l m 0 1 ) ，而且任何可生物降解的有 机物都可利用，包括有机废水等。 1 3 光合细菌产氢 1 3 1 生物制氢的发展 利用微生物制取氢气已经研究了几十年。在上世纪3 0 年代，报道了细菌暗 可以发酵制取氢气。1 9 4 2 年g a f f r o n 和r u b i n 【1 3 】报道了绿藻可利用光能产生氢气； 1 9 4 9 年g e s t 和k a m e n 1 4 】发现了光营养产氢细菌；7 0 年代能源危机期间，全世 界对生物制氢进行了大量的研究，t h a u e r 在1 9 7 6 年指出，由于暗发酵最多只能将 l m o l 葡萄糖生成4 m o l 氢气和2 m o l 乙酸，故其很难应用于实际生产中。而光产 氢细菌可以将有机酸等底物完全转化为氢气，所以此后生物制氢的研究基本上都 集中于光合发酵。2 0 世纪8 0 年代初，世界范围内研究与发展计划( r & d ) 对可 再生能源的支持逐渐减少，到9 0 年代早期，环境问题日益严重，又使人们将注意 力集中到可替代能源上。自发现微生物产氢，至今已有半个多世纪，生物制氢却 一直未能应用于实践。主要是存在许多技术问题，如微生物的筛选、反应器的设 计、操作条件的优化等，成本问题也值得关注，但是从环境保护的角度来看，生 物制氢的前景将更加广阔。 1 3 2 光合细菌的生态意义和应用 光合细菌简称p s b ( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ) ，是指在好氧光照或厌氧光照条 件下均能利用有机物作碳源兼供氢体，进行光合作用的细菌，其具有随环境条件 变化而改变代谢类型的特性。广义上讲的光合细菌包括产氧和不产氧光合细菌两 大部分。通常讲的光合细菌是指不产氧光合细菌【1 5 】。不产氧光合细菌的光合作用 是利用体外可氧化的硫化物、醇类、脂肪酸等作为供氢体还原c 0 2 ，在光合作用 中不放氧，并且多在厌氧条件下进行光合作用，对自然界的物质循环起着重要的 作用。 光合细菌可与水稻根系其它固氮菌之间具有协同生长和协同固氮效应，光合 细菌细胞含有丰富的蛋白质，细胞干物质中蛋白质含量高达到6 5 以上，其蛋白 3 两南大学硕十学何论文 质氨基酸组成非常齐全，细胞中还含有多种维生素，可用于生产单细胞蛋白、水 产养殖、生产食用色素等。在环保方面，由于光合细菌可以承受高浓度的有机酸， 已被广泛应用于废水中有机污染物的去除。光合细菌的菌体还具有很高的资源化 利用价值。随着人们环境意识的增强，生物治理和生物修复越来越受到重视，光 合细菌在环境治理中的潜力将进一步开发研究【1 6 ，1 7 1 。国外对光合细菌的应用已推 广于污水处理和养殖业等领域，国内近年来也有应用于淡水养殖和废水处理的报 道，应用前景十分广阔。 作为一种生理性状，光合细菌的光合产氢己从对现象认识角度转向获取洁净 能源一氢能角度来进行研究和开发。国内外围绕光合产氢菌的生长、培养、产氢 机理、影响产氢的几种酶等方面做了许多研究，取得了不少进展。 1 3 3 光合细菌的生长模式 在所有光合细菌研究中紫色非硫细菌( p n s ) 中的类球红细菌r h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e s 和荚膜红细菌r h o d o b a c t e rc a p s u l a t u s 是两种研究得最多的光合细菌。因 此，以下着重介绍p n s 菌的几种可能生长模式。 表1 - 1 类球红细菌的不同生长模式 t a b l e1 - 1t h eg r o w t hm o d eo f r s p h a e r o i d e s 表卜l 列出了从r s p h a e r o i d e s 观察到的几种不同的生长模式【1 8 】。对于p n s 菌而 言，厌氧光能异养生长是其最佳的产氢模式同时也是最佳的生长模式。然而，p n s 菌也可以进行其它的一些代谢模式如有氧呼吸、无氧呼吸、厌氧发酵和光能自养。 因此，应仔细调节光合反应器的运行条件使其有利于光能异养模式的进行。然而， 有时很难避免环境条件更适合于其它代谢模式。比如，在反应器的中心部位可获 得的光能很少，或者产氢是在自然光条件下进行，那么细菌就会转而进行发酵型 的代谢模式。 1 3 4 光合细菌产氢机理 4 1 文献综述 皇曼曼鼍曼曼曼曼曼舅曼皇曼曼曼皇曼曼曼ii ! ! 皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼舅鼍曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼 1 9 4 9 年，g e s t 和k a m e n 1 4 j 首先报道了深红红螺菌在光照条件下的产氢现象， 同时还发现了深红红螺菌的光合固氮作用。这以后的许多研究表明，光照条件下 p s b 的产氢和固氮是普遍存在的。人们围绕p s b 的光合作用机制和固氮酶、氢酶 的作用机制等方面进行了大量的研究，逐渐获得了对p s b 产氢机理的认知。现在 认为p s b 光合产氢的的酶主要是固氮酶i i9 。，图1 1 给出了光合细菌产氢的机理。 图1 - 1 光合细菌产氢的机理 f i g 1 - ip h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i ah y d r o g e np r o d u c t i o nm e c h a n i s m 还原性有机物经代谢后被氧化生成c 0 2 和电子，同时，p s b 光捕获复合体吸收 光子后，其能量被传送到光合成反应中心( r c ) ，产生一个高能电子，该高能电子 经环式磷酸化产生a t p 。a t p 、质子和电子一并进入固氮酶，质子中一部分来自t c a 循环，其他由a t p 合成酶供给。最终，固氮酶利用光合磷酸化产生的a t p 和还原性 物质提供的电子将质子还原为h 2 。氢酶主要在吸氢方向上起作用，生成a t p 、质 子和电子。 光合作用反应的电子是由有机物质或还原性硫化物提供的。电子从t c a 循环 中传递到固氮酶中的过程是由许多电子传递体通过一系列氧化还原反应来完成的 【2 0 1 。这些传递体包括n a d 和铁氧( f d ) 。 电子传递途径大致为：底物- t c a 循环一n a d n a d h 一( f d ) o x ( f d ) r e d 一固 氮酶一可还原性底物( 见图卜2 ) 。 两南大学硕十学侍论文 低 l o _ 高 h i g h c 0 2 + h + + r 一：育机t 岬证_ 割 酚比艇臣中心p h o 虹唧n t 血r 商n _ ：q 4 鸺阶段帕主型电f 接受体p s i im l t l 。o 。k 嘲m 甲t hc 岳c l 。细胞色素b e t c y l ：i d 3 x l l l e f d ：铁链j 奎妲盘di m m d m t m t + + q ，电。f 接受体k 啪e 单虮 图i 2 光合细菌光合产氢过程电子传递示意图 f i g ! - 2e l e c t r o nt r a n s f e rd i a g r a mo fp h o t o b i o i o g i c a ip r o d u c t i o no fh y d r o g e nb yp h o t o s y n t h e t i c b a c t e r i u m 综上可以看出，在光合细菌光合产氢的过程中，催化旷转化为h 2 的固氮酶起 着至关重要的作用。 1 3 5 光合细菌产氢的主要酶 p s b 产氢有关的酶主要是固氮酶和氢酶。这两种酶在所有的p s b 属中几乎都能 找到，但它们在p s b 的产氢过程中的作用却是不同的【1 9 1 。 固氮酶：在p s b 的光合产氢中起主要作用的是固氮酶1 9 。2 。固氮酶在光合产 氢中作用从下面一些实验中得到的【1 9 。2 1 1 ：( 1 ) 在缺少n 2 ，但存在a t p 和连二亚硫酸 盐的情况下，固氮酶制备物能产生h 2 ；氢酶虽也能释放h 2 ，但其并不依赖a t p ， 也不受n 2 的影响。( 2 ) 同固氮酶活性受铵盐的阻遏和抑制一样，p s b 光合产氢的活 性也受铵盐的阻遏和抑制。( 3 ) 固氮酶和p s b 细胞的产氢活性都不受c o 抑制。( 4 ) 光照条件下，p s b 氢气的形成与固氮酶活性存在着明显的相关性，而与氢酶活性则 无对应关系。( 5 ) p s b 细胞中固氮酶是唯一含钼的酶，在缺乏钼的培养基中，p s b 的产氢活性和固氮酶活性较培养在含有钼的培养基中均有显著的降低。( 6 ) 固氮酶 缺陷菌株具有正常的氢酶活性，但在光照条件下却不能产氢，而其回复突变株或 经基因转移重新得到固氮酶的菌株，在光照条件下又可以产生氢气。这些实验都 间接或直接证明：p s b 的光合产氢反应主要是由固氮酶所催化的。p s b 的固氮酶和 其他的固氮酶一样，在有n 2 存在的情况下，固氮酶催化的基本反应为f 2 2 1 ： n 2 + 6 e 。+ r l a t p ，2 n h 3 + n a d p + n p i 其中a t p 由光合磷酸化提供，电子和质子( 还原力) 由有机物提供。质子的提供主要 由有机物的碳代谢产生或是电子逆流到n a d h ，而后通过n a d h 一铁氧还蛋白氧化 6 1 文献综述 还原酶的作用，产生还原型的铁氧还蛋白( f d r e d ) ，供给固氮酶。这里还存在着光 合反应中心产生的高能电子直接还原铁氧还蛋白的可能性。固氮酶的专一性不强， 它除了能催化n 2 还原成n h 3 外，还能催化n h 3 、n 0 2 、c h 3 c n 、h c n 、c 2 h 2 和矿 等还原成相应的产物。当固氮酶处于缺少含n 底物的条件下，固氮酶能将质子还原 成h 2 ，从而释放出积累的还原力和a t p 。这可能是p s b 本身调整内部能量水平和还 原力的一种机制。这样上面的就变成了： 2 h + + 2 e + m a t p h 2 + m a d p + m p i 这个反应是不可逆的，1 1 1 的最小值为4 ，即每产生l m o l 的h 2 ，至少需消耗4 m o l 的a t p 。 氢酶：几乎所有的p s b 中均发现有氢酶。不同微生物的氢酶其分子特征，包 括分子量大小、催化活性、所含金属元素及在细胞中的的分布都存在明显差异。 氢酶是一类催化吸氢与放氢的酶，根据氢酶的催化特性，氢酶可以分为吸氢酶 ( u p t a k eh y d r o g e n a s e ) 、放氢酶( r e l e a s eh y d r o g e n a s e ) 和双向氢酶( r e v e r s i b l e h y d r o g e n a s e ) 。在一定的条件下，放氢酶主要表现为催化产氢反应，吸氢酶主要表 现为催化吸氢反应，而双向氢酶的催化性质则依氢酶所处的环境而