微生物制氫

氫氣由于燃燒的產(chǎn)物為水而不產(chǎn)生任何環(huán)境污染物，而且能量密度和熱轉換效率高，是一種十分理想的“綠色”載能體。制氫方法可分為理化性的和生物性的兩類(lèi)。理化性的方法如將水電解為氫和氧，這必須消耗大量的電能，如獲得的氫氣作為能源，在經(jīng)濟成本上難以接受。其它化學(xué)性方法也要消耗大量礦物資源，而且生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量污染物污染環(huán)境。生物性方法利用微生物生產(chǎn)氫氣具有前者方法所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

 

在生命活動(dòng)中能形成分子氫的微生物有兩個(gè)主要類(lèi)群：一是固氮微生物尤其是具有固氮作用的光合微生物，包括藻類(lèi)和光合細菌在內。目前研究較多的主要有顫藻屬、深紅紅螺菌、球形紅假單胞菌、深紅紅假單胞菌、球形紅微菌、液泡外硫紅螺菌等等。二是嚴格厭氧和兼性厭氧的發(fā)酵性產(chǎn)氫細菌。如丁酸梭狀芽孢桿菌、拜氏梭狀芽孢桿菌、大腸埃希氏桿菌、產(chǎn)氣腸桿菌、褐球固氮菌等。

 

在具有固氮作用的微生物中，有 N 2 等底物存在時(shí)，固氮酶進(jìn)行 N 2 的還原反應：

眾所周知，固氮酶在固氮過(guò)程中，有 25 ％甚至更多的電子流向質(zhì)子形成氫，如果固氮酶并不是由 MoFe 蛋白而是由 VFe 蛋白或 FeFe 蛋白構成的，那流向質(zhì)子的電子的比例分別可達 60 ％和 80 ％，也即有更多的氫氣生成。在無(wú) N 2 等合適底物時(shí)，固氮酶將電子全部流向放氫反應：

具有固氮作用的光合微生物的產(chǎn)氫實(shí)際上是光合微生物將光合作用過(guò)程中獲取的光能轉換為 ATP 后， ATP 支持固氮酶的放氫，由 ATP 將光合作用與固氮酶的放氫兩個(gè)過(guò)程相連接。

 

發(fā)酵性細菌是另一類(lèi)在代謝過(guò)程中可以產(chǎn)生分子氫的微生物。如糖解梭菌（ Clostridium saccharolyticum ）、巴斯德梭菌（ C.pasteurianum ）等，缺乏典型的色素系統和氧化磷酸化機制。在發(fā)酵單糖時(shí)可形成 H 2 ，一處是在葡萄糖酵解為丙酮酸過(guò)程中形成 NADH ， NADH 在 NADH ： Fd 氧化還原酶作用下，將電子還原氧化態(tài)的 Fd ，還原態(tài)的 Fd 在氫酶作用下形成 H 2 。另一處是丙酮酸在丙酮酸： Fd 氧化還原酶作用下脫羧過(guò)程中形成還原態(tài)的 Fd ，還原態(tài)的 Fd 與 H + 在氫酶作用下生成 H 2 。前一條途徑，是由于生物體必須保持一定的 NAD + 與 NADH 的比例和 NAD + 濃度來(lái)維持其正常的生命代謝。因此，細胞內如果 NADH 濃度達到了一定水平，必須將電子轉移給質(zhì)子，使細胞內保持一定濃度的 NAD + ，盡管這個(gè)過(guò)程是一個(gè)需能反應，但當環(huán)境中氫氣濃度隨時(shí)釋放到足夠低濃度時(shí)，反應可向右進(jìn)行。同時(shí)伴隨這個(gè)過(guò)程的有氫釋放。

許多腸道細菌如大腸桿菌 ( E.coli ) 等在代謝過(guò)程中也可產(chǎn)生氫氣。當其厭氧性生長(cháng)于發(fā)酵性基質(zhì)上時(shí)，氫酶起著(zhù)氫閥的作用，通過(guò)氧化在發(fā)酵過(guò)程中的過(guò)剩還原力（ NADH 或 NADPH ）形成 H 2 來(lái)保證電子載體的循環(huán)和保持氧化還原平衡。酵解形成的丙酮酸在丙酮酸：甲酸裂解酶作用下，形成乙酰 -CoA 和甲酸，甲酸在厭氧和缺乏合適電子受體條件下，由甲酸氫解酶復合物裂解生成 CO 2 和 H 2 。