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藍細菌制氫研究進(jìn)展
喻國策*王建龍（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院環(huán)境技術(shù)研究室北京100084）
摘要 藍細菌具有很低的營(yíng)養需求，能夠利用太陽(yáng)能直接光解水產(chǎn)生氫能，利用藍細菌產(chǎn)氫是理想的生物制氫方式之一。目前，藍細菌氫的產(chǎn)率尚未達到實(shí)際應用的要求。藍細菌產(chǎn)氫依賴(lài)于菌株的遺傳背景和產(chǎn)氫的環(huán)境條件。對藍細菌產(chǎn)氫生理、產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫的環(huán)境條件、菌株篩選和突變株構建以及在光生物反應器中產(chǎn)氫的特征作了綜述，以期有利于藍細菌產(chǎn)氫水平的提高。
生物制氫是一條能夠利用可再生資源的環(huán)境友好的途徑，它具有反應條件溫和、過(guò)程清潔和不消耗礦物資源等優(yōu)勢。生物制氫包括利用厭氧和兼性厭氧細菌、光合細菌、藍細菌和綠藻制氫等幾種方式。其中，利用藍細菌制氫由于藍細菌的下述特征而成為理想的生物制氫方式之一：（1）藍細菌能夠直接光解水放氫，將太陽(yáng)能轉化為氫能；（2）藍細菌生長(cháng)營(yíng)養需求低，只需空氣（CO2和N2分別作為碳源和氮源）、水（電子和還原劑來(lái)源）、簡(jiǎn)單的無(wú)機鹽和光（能源）。藍細菌制氫作為一種有前途的生物制氫方式多年來(lái)一直受到人們的重視。
1藍細菌放氫生理
藍細菌是一類(lèi)能夠進(jìn)行放氧光合作用的原核生物，具有在功能和結構上與真核細胞葉綠體相似的光合作用單元，和與革蘭氏陰性細菌相似的細胞壁結構和組成。藍細菌具有單細胞、絲狀和菌落等多種形態(tài)。藍細菌中參與氫代謝的酶主要有固氮酶、吸氫酶和可逆氫酶（或稱(chēng)雙向氫酶），其中，固氮酶在催化固氮的同時(shí)催化氫的產(chǎn)生，吸氫酶可氧化固氮酶放出的氫，可逆氫酶既可以吸收也可以釋放氫氣。藍細菌放氫是這三種酶共同作用的結果。固氮酶、吸氫酶和可逆氫酶對氧都非常敏感，它們可被空氣中的氧和光合作用放出的氧抑制而失活。
常見(jiàn)的固氮酶是鉬固氮酶，由固氮酶（MoFe蛋白）和固氮酶還原酶（Fe蛋白）組成，MoFe蛋白是約220-240 kDa的雜四聚體（NifD和NifK），Fe蛋白是約60-70 kDa的二聚體（NifH）。Fe蛋白將外部電子供體的電子傳遞給MoFe蛋白，MoFe蛋白將氮還原為氨，同時(shí)催化質(zhì)子的還原：N2 + 8H+ + 8e- + 16ATP→2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi。藍細菌或在無(wú)氧條件下固氮，或將固氮和放氧在時(shí)間或空間上分離。有些絲狀藍細菌的營(yíng)養細胞可以分化成專(zhuān)門(mén)進(jìn)行固氮的異形胞，從而實(shí)現固氮和放氧在空間上的分離，有些非異形胞藍細菌則會(huì )將固氮和放氧在時(shí)間上分開(kāi)。固氮酶除鉬固氮酶外，還包括釩固氮酶和鐵固氮酶，釩固氮酶和鐵固氮酶可以為質(zhì)子還原分配更多的電子，因而具有比鉬固氮酶更強的放氫能力。
氫酶可以催化反應2H+ + 2e-←→H2，藍細菌吸氫酶和可逆氫酶都是NiFe氫酶。吸氫酶存在于所有固氮的單細胞和絲狀藍細菌中。吸氫酶與膜相結合，在一些絲狀藍細菌中僅在異形胞中表達，在營(yíng)養細胞中沒(méi)有或僅有極少活性。吸氫酶至少由約60 kDa和35 kDa的兩個(gè)亞基（HupL和HupS）組成。吸氫酶對氫的回收具有三方面功能：（1）通過(guò)氧氫反應（Knallgas反應）提供ATP；（2）去除氧氣，保護固氮酶免于失活；（3）為固氮酶和其它細胞活動(dòng)提供電子。在絲狀藍細菌中，吸氫酶和固氮酶具有密切的聯(lián)系。
可逆氫酶在固氮和不固氮藍細菌中廣泛存在�？赡鏆涿甘强扇艿幕蛩缮⒌亟Y合在膜上�？赡鏆涿甘怯蓺涿福�HoxH和HoxY）和硫辛酰胺脫氫酶（HoxU和HoxF）兩部分組成的雜四聚體酶，是組成型酶�？赡鏆涿负凸痰饔貌幌嚓P(guān)，可逆氫酶可能是藍細菌在厭氧環(huán)境下釋放多余還原力的介導物，或作為摒除光合作用光反應產(chǎn)生的低電勢電子的電子閥。
2藍細菌產(chǎn)氫的速率
Benemann等于1974年發(fā)現了Anabaena cylindrica在光下氬氣環(huán)境中的放氫現象。至今，藍細菌放氫研究已有30年歷史。目前，藍細菌氫的產(chǎn)率尚未達到實(shí)際應用的要求，光能轉化效率一般均小于1%。一般認為，10%或更高的光能轉化效率是大規模制氫所需要的。
用于放氫研究的藍細菌包括絲狀異形胞藍細菌、絲狀非異形胞藍細菌、單細胞不固氮藍細菌和海洋藍細菌等10多個(gè)屬的藍細菌。比較深入的放氫研究主要是針對少數Anabaena屬和Nostoc屬異形胞藍細菌，如A.cylindrica、A. variabilis和Nostoc PCC 73102，以及個(gè)別Synechococcus屬和Synechocystis屬的藍細菌。表1列出了一些典型藍細菌的產(chǎn)氫速率。異形胞藍細菌在空氣環(huán)境中生長(cháng)和在氬氣環(huán)境中測定時(shí)，比較典型的產(chǎn)氫速率介于0.17-4.2μmol H2 mg chla-1 h-1之間。不過(guò)，藍細菌產(chǎn)氫受到培養過(guò)程和放氫測定過(guò)程多種因素的顯著(zhù)影響，同一株藍細菌在不同的生長(cháng)和測定條件下，其產(chǎn)氫速率可能相差10倍之多。A. variabilis ATCC 29413在限制光強90μE m-2s-1下和氣相條件25%N2、2%CO2和73%Ar下生長(cháng)，在氮營(yíng)養壓力下（當N2由25%下降至5%時(shí)），產(chǎn)氫速率可達45.18μmolH2 mg chl a-1 h-1。絲狀異形胞藍細菌具有比較完善的光合放氧和固氮放氫的分離機制以及較高的產(chǎn)氫速率，是非常有前途的產(chǎn)氫光合微生物之一。
單細胞不固氮藍細菌能夠表現出一定的利用可逆氫酶放氫的能力，尤其是Gloeobacter PCC 7421，其產(chǎn)氫速率可與某些異形胞藍細菌相當（1.38μmol H2 mg chl a-1 h-1）。藍細菌在黑暗缺氧條件下發(fā)酵產(chǎn)氫的速率比較低。
表1一些典型藍細菌產(chǎn)氫的速率
Table 1Rates of hydrogen production by some typical cyanobacteria
|
菌株 |
最大產(chǎn)氫速率 μmol mg chla-1 h-1 |
生長(cháng)條件 |
測定條件 |
|
異形胞藍細菌 |
|
|
|
|
Anabaena sp. PCC 7120 |
2.6 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaena cylindrica IAM M-1 |
2.1 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaena variabilis IAM M-58 |
4.2 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaena cylindrica UTEX B 629 |
0.91 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaena flos-aquae UTEX LB 2558 |
3.2 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaenopsis circularis IAM M-4 |
0.31 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Nostoc muscorum IAM M-14 |
0.60 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Nostoc linckia IAM M-30 |
0.17 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Nostoc commune IAM M-13 |
0.25 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
|
Anabaena variabilis ATCC 29413 |
45.18 |
Ar+N2(25%)+CO2(2%); 90μEm-2 s-1 |
Ar + N2(5%)+CO2(2%); 90μE m-2s-1 |
|
Anabaena azollae |
38.5 |
空氣 + CO2(2%); 113μE m-2s-1 |
Ar; 140μE m-2s-1 |
|
非異形胞藍細菌 |
|
|
|
|
Synechococcus PCC 6803 |
0.26 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2 (1.34 mmol/L); 黑暗 |
|
Synechococcus PCC 602 |
0.66 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L); 20-30μEm-2s-1; 或 Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2 (1.34μmmol/L); 黑暗 |
|
Microcystis PCC 7820 |
0.16 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2(1.34 mmol/L); 20-30μEm-2s-1 |
|
Gloeobacter PCC 7421 |
1.38 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2(1.34 mmol/L); 20-30μEm-2s-1 |
|
Synechocystis PCC 6308 |
0.13 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2(1.34 mmol/L); 20-30μEm-2s-1 |
|
Aphanocapsa |
0.40 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
20-30μE m-2s-1 |
