（环境科学与工程专业论文）高效产氢菌的筛选及污泥减量的可行性研究.pdf

硕士学位论文 本研究采用h u n g a t e 厌氧培养技术分别从厌氧污泥、好氧污泥及河底泥 中分离出12 株厌氧产氢细菌，并对其中的e n t e r o c o c c u ss p l g l 进行了 研究。结果表明，该株细菌为专性厌氧肠球菌属，革兰氏染色结果为阴 性，通过l6s r d n a 碱基测序和比对证实，该菌株是目前尚未报道过的1 个新菌种，并已在g e n b a n k 注册，注册序列号为：e u 2 58 7 4 3 ，初步确定 其细菌学上的分类地位。产气量最高为36 4 8 m l g t c o d ，氢气含量高达 7 3 5 ，为己报道文献中以污泥为底物发酵制氢中之最高同时，以灭菌预 处理的污泥为底物培养基，对污泥发酵过程中底物性质变化( s c o d 、可 溶性蛋白质、总糖和p h 值等) 进行了探讨。 本研究得出了高效产氢新菌e n t e r o c o c c u ss p l g l 的最适生长环境。 结果表明，高效产氢新菌e n t e r o c o c c u ss p l g l 最适p h 为9 0 ，最适温度 为37 。 本研究以灭菌的污泥为底物，分别加入产氢菌、产甲烷菌，使污泥 分别经过产氢产甲烷阶段处理。分析了污泥发酵过程中底物性质变化 ( s c o d 、可溶性蛋白质、总糖和p h 值等) 剩余污泥经产氢、产甲烷两个 阶段后减量的可行性。结果表明，污泥在经过二次发酵后，污泥中v s s ss 由8 2 8 3 下降到了51 4 2 ，证实了污泥量确实减少，这一点也是符合发酵理 论的。有着重要的工程实践价值的，需要进一步的仔细研究。 关键词：生物产氢；新菌；污泥；厌氧发酵；v s s 硕l ：学位论文 a b s t r a c t a st h ee n e r g y , h y d r o g e ni sm o r ea n gm o r ea t t a c h e di m p o r t a n c et op r o p e r f r o mt h e a n g l eo ft h ec l e a ne n e r g y , t h eh y d r o g e ni s t h eb e s tc a r r i e r t h eh y d r o g e nd o n th a v e p o l l u t i o na n dc 0 2 ，b e i n gc a l l e d n op u l l t i o n b e i n gc o m p a r e dw i t ho t h e re n e r g y , t h e h y d r o g e nh a sm o r ee x c e l l e n c e t h ee n e r g yd e n s i t yo ft h eh y a r o g e nw h i c hi s2 6 8t i m e s m o r et h a nb e n z e n ei sh i g h t h eh e a te f f i c i e n c yi s3 0 - - 6 0 m o r et h a no t h e re n e r g y f o r e x a m p l e ，t h eh y d r o g e nb e c o m e st h ef u e lo ft h ef u e lb a t t e r i e s ，i tw i l lg e tak i n do ft l i g l i e f f i c i e n c y , c l e a n , p e a c e f u lg e n e r a t ee l e c t r i c i t yt e c h n i q u e a n dt h ee f f i c i e n c yo fi tw i l lb ea t i m em o r et h a no t h e r s t h eh y d r o g e ni sf i tf o rt r a n s p o r t a t i o nu s i n gt h ep i p e s ，a n di tc a nb e t r a n s p o r t e dw i t ht h ep e t r o l e u m a st h em o r ek i n d so fe n e r g y , t h eh y d r o g e ni st h ec h e a p e s t , l e a s te x p e n s e ，f i tf o re l e c t r i c i t yt r a n s p o r t a t i o n t h es m a l ls i z ef u e lb a t t e r i e so ft h es o l i d h y d r o n i u mp e r m u t a t i o nv e l u mc a r lb eu s e df o rt h ec a r sa n dt r a i n s ，t h eh y d r o g e nc a nb e i m m e d i a t e l yu s e dt h ef u e lo ft h em o t o r s ，t h eh y d r o g e nc a r sh a v eb e e nd e v e l o p e db yj a p a n i nt h e21t hc e n t a r y , t h eh y d r o g e nm o t o r sw i l lb eu s e da st h ec o m m e r c eo ft h ec a r s ，t r a i n s a n dp l a i n s t h eh y d r o g e nc a l lb ec a l l e d t h es e c o n df u e l ”，t h em o s ti m p o r t a n tp r e p a r a t i o n t e c h n i c so ft h eh y d r o g e na r ee l e c t r o a n a l y s i s ，p y r o g e n a t i o n , p h o t o l y s i s ，r a d i c a l i z a t i o n , p l a s m aa n dc h e m i s t r y , f u e la n db i o l o g yp r o d u c t i n gh y d r o g e n a st h e s em e t h o d s ，9 6 o f t h e h y d r o g e ni sp i c k - u p e df r o mt h en a t u r a lg a sc o a la n do i l 4 o ft h eh y d r o g e ni sp i c k u p e d f r o mt h eb i o l o g yp r o d u c t i n gh y d r o g e n e x p e c t e dt h eb i o l o g y p r o d u c t i n gh y d r o g e n ，o t h e r p r o d u c t i n gh y d r o g e nw i l l l o s em o r ee n e r g y ，a n dm a k em o r ep o l l u t i o n s ot h eb i o l o g y p r o d u c t i n gh y d r o g e nw i l ls t i n tm o r ea n dm o r ee n e r g ya n dr e d u c et h ep o l l u t i o n t h eb i o l o g y p r o d u c t i n gh y d r o g e nw i l lb e c o m eo n eo ft h em o s t l yi m p o r t a n td i r e c t i o ni nt h ef u r t h e r w i t ht h es a m et i m e ，t h eb i o l o g yw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e mw i l lp r o d u c em o r e s l u d g ee v e r y d a y i ft h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n td o n tt r e a tt h es l u d g e ，i tw i l lp r o d u c e m o r ea n dm o r ep o l l u t i o n n o wt h es l u d g et r e a t m e n tm e t h o da r et h ef i r e ，b u r y , g r o u n d u s i n g ，b u tt h e s eh a v em o r ep o t e n t i a lh a r mt ot h ez o o l o g ye n t i r o m e n ta n dh u m a n h e a l t h r e a s o n a b l ed i s p o s i t i o n , t r e a t m e n t , r e s o u r c et h es l u d g eh a v eb e c o m et h eb i g g e s tp r o b l e mo f t h ee i 哆e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t s oc o m b i n e do ft h es l u d g e a n db a c t e r i a ，a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nc a nb eu s e dt op r o d u c et h eh y d r o g e n a st h e r e s u l t ，t h es l u d g eq u a n t i t yt h ep o l l u t i o nw i l lr e d u c ea n dt h ee n e r g yc r i s i s w i l lb e 丽效产氧函的筛选及污泥减量的司行性研冤 c a t a b a t i c ，s oi th a sb er e p o r t e db ym o r ea n dm o r ep e o p e ri nt h ew o r l d 12s t r a i n so fh 2 一p r o d u c i n gb a c t e r i aw e r ei s o l a t e da n dp u r i f i e df r o ma n a e r o b i cs l u d g e ， a e r o b i cs l u d g ea n dr i v e rb o s o ms l u d g eb yh u n g a t em e t h o d an e ws p e c i e so fh i 。g h e f f i c i e n th y d r o g e np r o d u c t i o nb a c t e r i u me n t e r o c o c c u ss p l g l ( r e g i s t r a t i o nn u m b e r ： e u 2 5 8 7 4 3 ) w a ss t u d i e dd e e p l y i tw a ss h o w e dt h a tt h ee n t e r o c o c c u ss p l g lw a sa n a n a e r o b i ca n dg r a m n e g a t i v eb a c t e r i u m s e q u e n c ea n a l y s i so ft h i st y p eo fc l o n e ss h o w e d t h a ti tw a sa f f i l i a t e dw i t ht h eg e n u se n t e r o c o c c u sa n di tw a sn o tr e p o r t e dy e ti no t h e rp a p e r a tp r e s e n t m e a n w h i l e , b a t c ht e s t so fa n a e r o b i cf e r m e n t a t i v eh y d r o g e np r o d u c t i o nb y e n t e r o c o c c u ss p l g lw e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gs t e r i l i z a t i o np r e t r e a t e ds l u d g ea s s u b s t r a t e n l ec h a n g e so fs o l u b l ec o d p r o t e i n , c a r b o h y d r a t ea n dp hv a l u ed u r i n g h y d r o g e nf e r m e n t a t i o nw e r em o n i t o r e d t h ew a sf o u n dt h a to n l yh y d r o g e na n dc a r b o n d i o x i d ew e r ep r o d u c e db yt h i ss t r a i na n dn om e t h a n ew a sd e t e c t e dd u r i n gf e r m e n t a t i o n t h em a x i m a lh y d r o g e ny i e l dw a s3 6 4 8 m l g t c o da n dt h eh y d r o g e nc o n c e n t r a t i o ni nt h e g a sp h a s ew a s7 3 5 n l ee n t e r o c o c c u ss p l g lw a sab u t y r a t ef e r m e n t a t i o nb a c t e r i a a n a l y z e db ym e t a b o l i t e s t h em o s tf i tc o n d i t i o no ft h en e ws p e c i e so fh i g he f f i c i e n th y d r o g e np r o d u c t i o n b a c t e r i u me n t e r o c o c c u ss p l g li sd o n e n er e s u l ti n d i c a t e st h ef i tp ha n dt e m p e r a t u r eo f t h en e ws p e c i e so fh i g he f f i c i e n th y d r o g e np r o d u c t i o nb a c t e r i u me n 纪r o c o c c u ss p l g li s 9 0 a n d3 7 t h es l u d g eb yu s i n gs t e r i l i z a t i o np r e t r e a t e ds l u d g e 觞s u b s t r a t ep a s s e st h r o u g ht h e h y d r o g e na n a e r o b i cf e r m e n t a t i o np h a s ea n dt h em e t h a n ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o np h a s e 1 1 1 ec h a n g e so fs o l u b l ec o d ，p r o t e i n , c a r b o h y d r a t ea n dp r iv a l u ed u r i n gh y d r o g e n f e r m e n t a t i o nw e r em o n i t o r e d t h er e s u l t ss h o wt h ev s s s so ft h es l u d g ed e s c e n d sf o r m 8 2 8 3t 051 4 2 ，i tr e d u c e ss om a n y 砸sh a sm o r ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ev a l u e ，b u ti tn e e d s m o r ec a r e f u lr e s e a r c h k e y w o r d s ：b i o - h y d r o g e n ；n o v e ls p e c i e s ；s l u d g e ；a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ； v s s i v 硕士学位论文 插图索引 图1 1绿藻及其光合产氢装置5 图1 2生物产氢过程的示意图7 图1 3 有机物厌氧消化模式图8 图2 1丙酮酸脱羧作用产h 2 过程1 6 图2 2甲酸裂解产生h 2 过程1 6 图2 3发酵产氢的主要途径1 7 图2 4 盯和n a d h 氧化还原反应示意图1 7 图2 5 厌氧降解过程示意图2 0 图3 1生物产氢反应装置2 6 图3 2基于1 6 sr d n a 序列的肠球e n t e r o c o c c u ss p l g l 菌株的系统发育树 2 8 图3 3e n t e r o c o c c u ss p l g l 扫描电镜图片 2 8 图3 4污泥厌氧发酵氢气产量变化2 9 图3 5污泥发酵过程中s c o d 浓度变化3 5 图3 6污泥发酵过程中可溶性蛋白质浓度变化3 7 图3 7污泥发酵过程中总糖浓度变化3 7 图3 8污泥发酵过程中p h 值变化3 9 图3 9 e n t e r o c o c c u ss p l g l 不同初始p h 下氢气变化4 3 图3 1 0e n t e r o c o c c u ss p l g l 不同初始p h 下氢气变化4 4 图4 1生物产氢反应装置4 7 图4 2 污泥厌氧发酵氢气产量变化4 9 v 高效产氧菌的筛选及污泥减量的可行性研究 图4 3污泥发酵过程中s c o d 浓度变化5 0 图4 4污泥发酵过程中可溶性蛋白质浓度变化5 0 图4 5污泥发酵过程中总糖浓度变化5 1 图4 6污泥发酵过程中p h 值变化5 2 图4 7 污泥厌氧发酵中v s s s s 变化5 3 图4 8污泥厌氧发酵甲烷气体产量变化5 4 图4 9污泥发酵过程中s c o d 浓度变化5 5 图4 1 0 污泥发酵过程中可溶性蛋白质浓度变化5 6 图4 1 1 污泥发酵过程中总糖浓度变化5 6 图4 1 2 污泥发酵过程中p h 值变化5 7 图4 1 3 污泥厌氧发酵中v s s s s 变化5 8 硕士学位论文 附表索引 表1 1世界各国在生物制氢领域的研究状况4 表2 1初沉污泥和活性污泥的一些基本特性 1 9 表2 2产乙酸反应方程式2 0 表3 1污泥性质2 3 表3 2 产氢均的富集方法2 5 表3 3产氢微生物的种类2 7 表3 4发酵产氢微生物的研究3 0 表3 5 利用不同基质的厌氧发酵产氢的研究 3 3 表3 6污泥产氢后污泥中挥发性酸( v f a ) 含量3 4 表4 1污泥性质4 7 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 毒寻衫 日期：力。辟f 月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 作者签名：痊亨彰 日期：砷释妇p 日 导师签名：李小咽醐m 分年 硕士学位论文 第1 章绪论 进入二十一世纪，能源的匮乏和环境的污染是人类所面临的两大难 题。【l l 由于人类无止境的开采、挖掘，使得人类赖以生存的能源资源正 在日益减少，而作为主要能源的煤、石油等的储量也日益枯竭。从目前 探明的石油储量来看，世界石油的开采时间也不过只有几十年。与此同 时，传统的能源结构和大量的能源消耗，又造成对人类生存环境的严重 污染。因此，人们在不断的寻求新的清洁能源来替代传统能源。 令人欣慰的是科学家发现氢是一种非常理想的能源，它以水的形式 大量存在于地球上，储量十分丰富。氢气在燃烧时只生成水，水又可以 参与自然循环，而且氢气的热值高，最高达3 0 4 2 c a l s m 3 ，热转化率也很 高。它最有希望成为2l 世纪人类所企求的清洁能源，人们对氢能的开发 应用寄于极大的热诚和希望。 目前制氢的方法很多，如煤、焦碳气化制氢，天然气或石油产品转 化制氢太阳能制氢、水分解法制氢、水电解制氢、水煤气转化制氢及甲 烷裂解制氢以及各种工业生产的尾气回收或氯碱工厂的副产氢等。这些 方法有的要消耗大量的电能，有的则需利用大量的天然气、煤和石油等 化工燃料。按照未来清洁能源的要求，尤其是改善生态环境的要求以及 制氢成本等进行选择，上述方法可能还没有一种制氢方法能被人们认为 是“满意 的符合要求的方法。研究开发环保、高效的产氢技术一直是 国内外科研人员努力追求的方向。目前研究发现有几种潜在的制氢方法 包括热化学制氢、光催化作用制氢、生物制氢等方法。对于热化学制氢 目前正在实验室试验阶段，而光催化作用制氢，科学家们正努力寻找合 适的光、催化剂。生物制氢是目前研究进展最快并很有希望进行规模化 生产的种制氢方法。由于其使用的原料低廉，生产过程清洁、节能且 不消耗矿物资源，正越来越受到人们的关注。 与此同时，在污水处理中产生的大量剩余污泥，与别的可再生生物质 不同，废水剩余污泥如果不做无害化处理，会给环境带来污染。目前常 用的剩余污泥处理法有焚烧法、填埋法、土地利用等方法，这些方法都 对生态环境和人类健康具有长期潜在的危害性。合理地处置、处理、资 源化利用污泥，已经成为城市经济发展和可持续性发展的一个重大问题。 然而，城市废水剩余污泥又是一种重要的可再生生物质，可以用来产 生氢气。利用污泥来制取氢，不仅可以解决污泥的环境污染问题，还可 高效产氢菌的筛选及污泥减量的可行性研究 以产生氢气，缓解能源危机。这是一举两得的事情。 1 1 研究及选题背景 环境保护是我国的一项基本国策。但是随着我国工农业经济的迅速发 展，水环境污染问题，尤其是城市生活污水和工业废水的排放日益突出。 根据2 0 0 2 年中国环保总局的全国环境统计公报，2 0 0 2 年全国废水排放总 量为4 39 5 亿吨，比上年增加1 5 。其中工业废水排放量2 0 7 2 亿吨，占废 水排放总量的4 7 1 ；城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿吨，占废水排放总量的 5 2 9 。另据国家环保总局提供的数字，目前全国共建设城市污水处理厂 4 5 2 座，其中二、三级污水处理厂3 0 7 座，城市污水处理率虽已经达到 36 5 ，但还是远远低于发达国家水平。这就是说，有将近l6 0 亿吨城市 生活污水未任何处理直接排放到了河流湖泊，污染着我们赖以生存的水 环境。按照“十五 计划要求，到2 0 0 5 年，全国城市污水处理率要达到 4 5 ，5 0 万以上人v i 城市的污水处理率达到6 0 以上【1 1 。因此，为了实现 可持续发展的战略目标，中国将在今后的数十年内加大对环保领域的投 入。就城市水环境污染而言，大批的污水处理厂正在建设或者已经投入 使用。 我国的城市污水处理厂普遍采用的是以传统活性污泥法为主的生物 处理工艺。因此，污水厂的正常运行过程中会产生大量的剩余污泥，据 不完全统计，2 0 01 年我国共排放2 2 7 7 亿吨生活污水，其中约有4 2 2 亿吨 的生活污水被集中在城市污水厂处理。若处理每吨污水的污泥产率按千 分之1 5 2 0 计算，则共产生约5 5 l0 6 万吨干污泥1 2 l 预计到2 0l0 年，我 国城市污水厂的湿污泥产量将超过2 0 0 0 万吨1 3 】。然而，剩余活性污泥中 含有丰富的有机质，如多糖、蛋白质和脂肪类等，这些有机物可通过厌 氧生物法处理并达到减量化、稳定化、无害化，并从中回收能源。目前 现有的污泥厌氧生物处理绝大多是采用污泥消化产甲烷发酵的方法。在 产甲烷过程中，污泥发酵产氢产乙酸是其中的一个中间阶段。若能将此 阶段稳定控制在产氢阶段，则可以在处理污泥的同时又可获取清洁高效 的能源一氢气。 因此，利用污水厂剩余污泥厌氧发酵产氢是一个非常有意义并具有 广阔发展前景的新的研究方向。 2 硕士学位论文 1 2 国内外关于生物产氢的研究现状 1 2 1 氢气的基本特性 氢( h ) 是宇宙中含量最丰富的元素，大概有3 4 的物质是由氢组成的。 大气中含。0 0 7 的氢，而地球表面含氢0 14 。但是氢元素在地球上绝 大多数是以化合态的形式存在。氢气作为能源物质具有以下三大优点： 首先，氢的燃烧热值高，每克氢气燃烧后最大能释放出l 4 2 35 千焦的热量， 约为汽油的3 倍，酒精的3 9 倍，焦炭的4 5 倍 4 1 。其次，氢气与空气中的 氧气燃烧只产生水，不产生任何污染。也正因此它又可作为二次燃料循 环使用。另外，氢的用途极为广泛，它不仅在聚变时可以放出大量原子 能，而且可以燃烧生热，产生化学能。氢气也是一种非常重要的化工原 料，如合成氨工业、煤和石油的氢化等。氢气可以储存于金属化合物和 某些新型的纳米材料中，并通过燃料电池的方式应用于许多领域，如福 特和丰田等公司都先后推出了以燃料电池为新型动力的环保型概念汽 车。 1 2 2 产氢方法 氢气的产生途径有很多种，主要分为以下三类： 【1 】利用化石燃料制氢的方法，包括天然气的重组、天然气的热裂解、石 脑油等碳氢化合物的部分氧化以及煤的气化等； 2 】从水中获取氢气的方法，如水的电解、光解、热化学分解和直接热分 解等； 【3 】生物法产氢，又分为光合生物产氢和厌氧细菌发酵产氢等。 从目前世界氢产量来着，是由天然的碳氢化合物一天然气、煤、石油 产品中提取的，4 是采取水电解法制取的。但水电解制氢能耗很高，一 般每立方米氢气电耗为4 5 5 5k w h 左右【5 】- 【8 1 。工业用氢大多是通过煤的 气化和水的电解方式，但这两种方式都需要消耗大量的化石燃料而且对 环境不利。而生物产氢的方法则只需消耗较少的能量并对环境无害，是 一种绿色的产氢技术。但是，目前生物产氢的效率和稳定性还有待提高， 也是目前众多研究者研究的重点。 1 2 3 生物制氢的研究历史 几个工业发达国家，如美国、日本、荷兰等对生物产氢的研究起步 较早。早在十九世纪末期就出现了有关藻类和微生物产氢方面的研究报 高效产氢菌的筛选及污泥减量的可行性研究 道，发现了在微生物的作用下通过蚁酸钙的发酵可从水中获取氢气【9 l 。 直到二十世纪七十年代面临全球能源危机，氢能被视为未来最好的清洁 能源，大量的人力物力投入到了氢能的开发和利用研究之中。当时，美 国科学基金会发起了一次有关生物产氢的研讨会，会议的主题就是讨论 光合生物产氢作为未来可替代能源的可行性问题。直到八十年代能源危 机结束之前，研究人员进行了大量有关蓝绿藻水的光解作用产氢的研究。 九十年代，人们清醒地认识到长期使用化石燃料所产生大量的温室气体 导致了影响全球气候的环境问题，生物产氢技术的研究再次受到了世界 各国的普遍重视【l 7j 。世界纷纷成立了与氢能源有关的国际组织。国际氢 能源协会( i n t e r n a t i o n a le n e r g ya g e n c y ，i e a ) 成立于二十世纪七十年代，主 要着重资助水的光解产氢和光合菌光发酵产氢的研究。而日本的氢能源 计划则起源于l9 9 0 年国际贸易与工业部成立的地球新技术研究所 ( r e s e a r c hi n s t i t u t eo fi n n o v a t i v et e c h n o l o g yf o rt h ee a r t h ) ，目的在于寻求 可再生的清洁能源，减少温室效应气体的产生。美国能源部 表1 1 世界各国在生物产氧领域的研究状况 t a b l e1 1t h es t a t u so fb i o h y d r g e np r o d u c t i o nr e s e a r c hi nt h ew o r l d 氢酶 同氮酶 基因工程 光合作用中心 微生物分离 生物质光解作用 废水处理 1 1 ,， 嗜热微生物 总体的过程工程 ( 表示在这一领域研究活跃， 则表示非常活跃) ( d e p a r t m e n to fe n e r g y ) 也相继启动了有关生物产氢方面的研究，投入了 大量的资金用于生物产氢领域的研究工作【5 】。目前，世界各国在生物产 氢研究领域和研究重点方面都不一样，其中美国和日本在生物产氢的研 究领域互为补充且最为活跃( 见表1 1 ) 。另外，中国内地和台湾等近年来 也开展了有关生物产氢方面的研究f l o 】- i 1 5 1 。 4 硕十学位论女 124 生物产氢的类型 生物制氢大气可分为三类：真核藻类和蓝细菌的水光解产氢：兜合细 菌的光发酵产氢；厌氧发酵细菌的暗发酵产氢等。 241 真核藻类和蓝细菌的水光懈产氢 l9 4 2 年，g a f f r o n 和r u b i n 发现了株具有产氢能力的真核绿藻 ( s c e n e d e s m u s ，它不仅能在光照的条件下产氢也可以庄黑暗厌氧的条 件下发酵产氢，并认为产氢过程中的电子载体为铁氧化还原蛋白【i 。i 。因 此，后来有研究人员将菠菜叶绿体膜和两种细菌蛋白( 氢化酶和铁氧化 还原蛋白) 的混合反应结果出现了产生h 2 的现象i ”i 。众所周知。高等 植物和藻类的光和系统包括两个连结的光和许l 司，刚光台系统i i ( p s i i ) 和光合系统i ( p s n 。它们分别完成水的分解和氧气的产生过程。在这两 个过程中，每个光台系统都分别需要两个光子从水中转移电子然后用 于还原c o ：和h ：的产生。但是，由于植物细胞中小含有产氢酶所以只 有还原c o ：的反应能进行。而藻类和蓝细菌的光台产氢过程包括两个互小 相容的反应过程，即第步足通过光台系统i i ( p s l l ) ，被分解产生氧气 干质子，第一步是前一过程所产生的电f 的还原力被传递到质子，从而 通过氢化酶产生h ：。图1l 所示为绿藻及其光合产氢装置的示意图。 图1 1 绿藻及其光产氧鼗霞 f i 9 1 i g r e e na l g a ea n dt h ep h o t o 8 y n t h e l i ch y d r o g e npr o d u c t i o n s e t 血 高效产氢菌的筛选及污泥减量的可行性研究 由于光合生物产氢过程所利用的是地球上资源丰富的水和太阳能，因 此如果能实现这种光合生物的产氢技术，将为整个人类创造非常可观的 经济和社会效益。但是通过深入的研究发现第一步所产生的氧气对氢化 酶的活性淬在这反馈抑制作用，导致产氢过程不稳定甚至终止。因此， 目前这一研究领域所面临的一个难题就是如何消除氧气对氢化酶或固氮 酶的抑制作用。有研究者提出，采用基因工程的手段来获得产氢酶缺失 或培养具有对氧气不敏感的产氢酶的藻类达到这一目的【2 1 1 。一些兰细菌 则通过自身的进化，产生一种称为异质体( h e t e r o c y s t 夕的结构。在异质 体内，光合系统i i 失去了裂解水的功能，而外界的氧气被隔离在外面，将 这两个过程划分开来，而且利用c 0 2 作为这两个隔开的过程之间的联系 ( 见图1 2 ) 。 1 2 4 2 光合细菌的光发酵产氢 某些具有光发酵产氢功能的光金额细菌内不具备光合系统i i ( p s i i ) ， 因此只能依靠光合系统i ( p s i ) 的环式磷酸化产生a t p 所作为所需的能量， 并通过固氮酶与还原性物质所提供的电子进行耦联反应产氢( 见图1 3 ) 。 l9 3 9 年n ia k a m u r a 最早观察到了光合细菌在黑暗条件下释放出氢气的现 象【22 1 。l9 4 9 年g e s t 等人通过大量研究发现紫色细菌光合的产氢效果最佳 并建议使用这种叙军进行大规模的光发酵产氢试验【2 引。因此，在此后的 30 年里欧美等国家的研究人员都纷纷将投向光合产氢的研究方向。光发 酵产氢有以下的几个方面的优点： 1 】理论上具有很高的能量转化率。 【2 】缺少0 2 的释放，因此不会出现导致不同生物系统的氧失活问题。 【3 】要求相对较少的光能，能利用很宽的光波范围的光能。 4 】能够分解废水和废物中的有机物，从而可作为处理废水的一种手段。 但经过测定光发酵产氢效率后发现令人失望的结果，即它的产氢效率 很低，甚至比水的光解产氢效率还要低。这可能是由于这种光发酵产氢 菌的产氢中心一固氮酶需要较高的能量来用于催化产氢反映的缘故【1 1 1 。 此外，光发酵产氢还受到诸多因素的限制，如具有吸氢酶；铵离子的存 在会一直固氮酶；需要光照；光反应器设计复杂，成本昂贵等。 最近的一个新的发现表明，某些种类的光合细菌可作为产氢过程的催 化剂，在常温常压下直接将一氧化碳和水转化成氢气和二氧化碳( 见图 1 2 ) 。这一反应过程，而是直接一部完成。但是这种产氢方式存在的最 大问题也是能量转化率低1 2 4 l 。 6 硕士学位论文 1 2 4 3 厌氧发酵细菌的暗发酵产氢 图1 2 生物产氢过程的示意图1 1 7 1 f i 9 1 2b i o l o g i c a lh y d r o g e np r o d u c t i o np r o c e s s e s 近十多年来，随着人们对微生物厌氧发酵产氢的多种优势认识的加 深，促使在这个方向的研究不断增多，逐渐成当今生物产氢领域的一个 7 高效产氢菌的筛选及污泥减量的可行性研究 研究热点。氢气是有机物厌氧产甲烷过程当中的一个重要的中间产物( 如 图1 2 所示) 。因此，通过控制条件在厌氧发酵有机物的过程中产生氢气 是完全可行的。有关厌氧发酵产氢的研究需要解决的问题就是寻找种 适合于厌氧发酵高效的产氢底物。目前，人们普遍认为富含糖类的物质 ( 如葡萄糖、蔗糖等) 适合用于厌氧发酵产氢且产氢率较高，能量转化 率可以达到理论值的2 0 30 。但w o o d w a r d 等人发现，利用纯化的氢 化酶发酵磷酸化戊糖的产氢实验获得了非常高的产氢率，达到 1 1 6 m o l h 2 m 0 1 6 p g l u c o s e ，为理论产氢率的9 7 。这是迄今为止生物产 氢研究中获得的最大产氢率。另外，更为有前途的方向则是采用价值低 廉的有机物，特别是各种有机废水和固体废弃垃圾中的有机质来厌氧发 酵产氢，如生活垃圾、动物粪便和食品生产残渣和废水等。在处理这些 废水或废弃物的同时又获得氢能源源，所采用的发酵设备均和产甲烷发 酵类似，无需做大的改变。本研究提出来的一种工艺是采用的两阶段的 发酵过程，分别产氢气和甲烷，即首先污泥在第一阶段发酵产生氢气和 有机酸，然后在第二阶段进行产甲烷发酵。这一工艺的好处在于，使用 氢气和甲烷的混合气体作为燃料气可以大幅度的减少完全燃烧甲烷所带 来的空气污染。有可以减少污泥的量，从工业化应用的角度来看发酵产 氢本身具有以下几个优点：发酵细菌具有较高的氢转化率：可以全天候 不间断的发酵产氢，不受太阳光照射条件的限制；理论上产氢微生物具 有很高的生长速率。然而，厌氧发酵产氢要最终实现世纪的应用也首先 必须通过各种手段( 包括优化发酵条件或基因调控手段) 提高产氢率， 降低产氢成本，并提高发酵产氢的稳定性。 图1 3有机物厌氧消化模式图 2 6 i f i 9 1 3t h ep a t t e r no fa n a e r o b i cd i g e s t i o no fo r g a n i cm a t t e r 8 硕士学位论文 1 2 5 生物产氢菌的研究 g r a y 和g e s t ( 19 6 4 ) 在s c i e n c e 杂志上发表的一篇生物产氢发酵机理的 综述，奠定了国内外产氢发酵细菌研究的里程碑。他们按照形成所需电 子供体的不同将产氢发酵细菌分为了三类：兼性厌氧产氢发酵细菌。 它以细胞色素微电子供体，通过甲酸裂解产氢，甲酸的前体是丙酮酸， 如大肠杆菌；专性厌氧产氢发酵细菌。它不含细胞色素型的电子供体， 通过丙酮酸或丙酮酸式二碳单位产氢，如丁酸梭菌；特殊类型的产氢 发酵细菌。实际上它属于第类和第类之间的过渡类型。如脱硫弧菌， 在五硫源的条件下代谢产氢。产氢发酵细菌的种类很多，主要包括梭菌 属( c l o s t r i d i u m ) 、类芽孢菌属( p a e n i b a c i l l u s ) 、肠杆菌科 ( e n t e r o b a c t e r i a c e a e ) 、巨型球菌属( m e g a s p h a e r a ) 、韦荣式球菌属 ( v e i l l o n e l l a ) 、互养球菌属( s y n t r o p h o c o c c u s ) 、醋弧菌属( a c e t i v i b r i o ) 、 线形醋菌属( a c e t o f i l a m e n t u m ) 、醋微球菌属( a c e t o m i c r o b i u m ) 、拟杆菌 属( b a c t e r o i d e s ) 、闪烁杆菌属( f e r v i d o b a c t e r i u m ) 、盐厌氧菌属 ( s y n t r o p h o b a c t e r ) 、栖热袍菌属( t h e r m o t o g a ) 、栖热粪杆菌属 ( c o p r o t h e r m o b a c t e r ) 、盐胞菌属( h a l o c e l l a ) 、盐厌氧杆菌属 ( h a i o n a e r o b i a c t e r ) 、嗜热盐丝菌属( t h e r m o h y d r o g e n i u m ) 、科里氏杆菌 属( c o r i b a c t e r i u m ) 、真杆菌属( e u b a c t e r i u m ) 、毛螺菌属( l a c h n o s p i r a ) 、 热厌氧菌属( t h e r m o a n a e r o b i u m ) 、粪球菌属( c o p r o c o c u s ) 、瘤