光合细菌产氢研究进展与问题

化石能源的日益枯竭及其长期使用造成了严重的环境污染,寻找清洁的可再生能源成为当前亟待解决的世界性重大课题。光合细菌产氢以其较高的底物转化效率、较高的光能利用率以及能够灵活利用多种小分子有机酸等特点而成为大规模生物产氢的研究热点。文章从光合细菌产氢机理(主要针对光合单位、固氮酶和氢酶的联合产氢机理)、影响光合细菌产氢的各种物理因素和如何提高光合细菌的产氢量等方面,系统介绍了当前国内外光合细菌产氢的最新研究结果及进展,并对该领域研究存在的主要问题及发展趋势进行了简要评述。     

光合细菌小分子酸醇产氢试验研究

以光合产氢混合菌群为研究对象,研究了光合细菌在乙酸、乙醇、乳酸、丁酸几种小分子脂肪酸条件下菌体的生长和产氢特性,详细考察了乙酸和丁酸对光合产氢细菌生长和产氢的影响.研究发现,乙酸、丁酸既是光合细菌良好的生长碳源,也是高效氢供体,光合细菌在乙酸和丁酸条件下产氢率分别达到2.05和2.81molH2/mol.光合细菌以乙酸和丁酸产氢时,乙酸和丁酸的最佳添加浓度均为40mmol/L;光合细菌在乳酸条件下有较高的生长活性,但乳酸并不是光合细菌高效氢供体,光合细菌在乳酸条件下产氢活性较低;乙醇既不是光合细菌良好生长碳源,也不是高效氢供体,乙醇对光合细菌的生长和产氢均有较强的抑制作用.     

光合细菌光合作用及固氮酶产氢作用研究进展

光合细菌产氢是一种较为理想的生物制氢方式,光合细菌产氢包括细胞的光合作用、固氮作用、碳代谢、氢代谢等过程.文章介绍了光合细菌产氢过程中光合作用与固氮酶产氢作用的机理,论述了近年来光合细菌光合系统结构、光合基因、固氮酶结构、固氮基因的研究现状,分析了光合细菌光合作用、固氮酶产氢作用研究中存在的主要问题,并就其发展方向进行了展望.     

光合细菌产氢系统累积热量对酶活性的影响

研究了外界因素引起累积热量的不同对光合细菌酶活性的影响,结果表明温度为27℃有热量累积的系统固氮酶和放氢酶活性的表达最为显著;光照强度在500～3000lx范围内,有热量累积的系统,固氮酶活性和放氢酶活性都高于无热量累积的系统;10%接种有热量累积的系统固氮酶活性最大为554mmlC2H4/mL菌液/h,放氢酶活性也最大为860nmolH2/mL菌液/h;除葡萄糖浓度为0.5%的放氢酶活性不表达,其它有热量累积的系统固氮酶和放氢酶活性都高于无热量累积的系统,葡萄糖浓度为3.0%有热量累积的系统固氮酶和放氢酶活性最高;不同NW4+浓度,累积热量都有利于固氮酶和放氢酶活性的表达,NH4+浓度为0.4g/L有热量累积的系统酶活性表达最为显著.     

可见光谱对混合光合细菌产氢和生长特性的影响

分别以不同光源蓝光(400～20nm)、绿光(550～570nm)、黄光(约590nm)、红光(600～700nm)、白光LED(发光二极管多色混合光谱带)和白炽灯(连续光谱)作为产氢光源,对光合细菌产氢和生长的影响进行了对比研究。结果表明,混合光合产氢细菌对吸收峰处的光都有较好的吸收和利用,其中尤以黄色光源最为突出,产氢较稳定且产氢量最大。     

序批式光合制氢反应器中光衰减特性及其对产氢性能的影响

研究了不同入射光波长及光照强度条件下含不同浓度沼泽红假单胞菌CQK-01的序批式光合制氢反应器中的光强衰减特性,同时分析了在光波长为590nm照射下光路长度和光照强度对产氢速率的影响.实验结果表明:在可见光波段范围内,反应器中光衰减系数随光波长的增加而减小,随细菌浓度的增加而增加;反应器中光合细菌在短光路长度、高光照强度下可较快达到最大产氢速率,并获得较大的平均产氢速率.同时在实验结果的基础上,拟合得到光衰减系数与光波长和细菌浓度的实验关联式,并将不同光波长、细菌浓度和入射光强影响下光衰减关联式计算值与实验测量值进行比较,结果表明两者吻合较好.     

生物质产氢的研究现状与发展

综述了生物质光合产氢和发酵产氢的研究现状,分析了利用生物质产氢技术目前所面临的问题;评述了把生物质产氢与新能源开发,环境保护相结合的应用可能性和前景展望。     

光合细菌生物膜制氢反应器的产氢特性

对光合细菌生物膜制氢反应器的产氢性能进行了实验研究,探讨了光照度、光谱和底物浓度对反应器产氢性能的影响.实验结果表明:光合细菌生物膜反应器内最适底物浓度为0.12mol/L,最佳光照度为5000 lx,过高或过低的底物浓度和光照度均对光合细菌产氢具有抑制作用;而光的波长对光合细菌产氢的最适底物浓度和最佳光照度均无影响.当底物浓度为0.12mol/L,光照度为5000 lx,波长为590 nm时,反应器的产氢率达到最高,为3.54mg/h.     

厌氧高效产氢细菌的筛选及其耐酸性研究

采用厌氧Hungate技术 ,从生物制氢反应器厌氧活性污泥中分离到 18株发酵产氢细菌 ,并从中优选出 1株高效产氢细菌B4 9。通过间歇试验 ,B4 9获得最大比产氢速率QH2 为 2 5 .0mmol/g·h ,单位体积产氢量YH2 为 1813.8mL/L ,氢气含量为 6 4 .15 %。B4 9菌株为乙醇型发酵产氢细菌 ,具有良好的耐酸性 ,在 pH3.3仍能生长。发酵产氢和细菌生长的最适 pH值约为 3.9～ 4 .2。     

光合产氢混合菌群的碳源代谢实验研究

以红螺菌科光合产氢混合菌群为研究对象,通过血清瓶培养实验,研究不同碳源对光合细菌生长和产氢过程的影响。结果表明:光合细菌能有效利用乙酸和丁酸快速增殖和产氢,其中以乙酸最佳,促使光合产氢混合菌群增殖的最佳乙酸浓度为80mmol/L,最佳产氢浓度为40mmol/L。光合产氢混合菌群利用乳酸增殖产氢的能力较低,而乙醇则对其表现为抑制效应。     

利用乙酸光合细菌产氢的研究

通过间歇批次实验研究了不同乙酸浓度对光合细菌产氢速度、底物转化率、能量回收率等方面的影响,同时对氮源浓度进行了优化。研究结果表明:最佳的乙酸浓度为40mmol/L,在此条件下最大产氢速度、底物转化率和能量转化率分别为1.17mL/L、1.09mol-H_2/mol acetate和27.3%。当乙酸浓度为40mmol/L时,最佳的氮源浓度为8～9mmol/L。     

固定化光合细菌处理有机废水过程产氢的研究——Ⅱ.红假单胞菌菌株D利用有机物光产氢的特性

应用固定化细胞技术,研究红假单胞菌菌株D(Rhodopseudomonas sp.D)利用有机物光产氢的过程特性,发现以琼脂包埋的固定化细胞,在以苹果酸作为基质的条件下,光照培养120h,总产氢量达到119.5ml,产氢速率为19.92ml(1·h)~(-1)。与悬浮细胞相比,产氢能力提高90％,而且光产氢持续时时延长。菌体菌龄、颗粒内生物量、光照强度、光照/黑暗时间、基质初始pH以及基质浓度均影响产氢过程。试验还证实除苹果酸外,废水中常见污染物如葡萄糖、乳酸、丙酸也是良好的产氢基质。本实验结果表明用光合细菌处理有机废水同时回收氢能的可能性。     

发酵条件对发酵产氢细菌B49产氢的影响

采用间歇发酵实验，研究了葡萄糖浓度、接种量、温度、氮源、不同有机底物对发酵产氢产酸细菌新菌种IM9(AF481148 in EMBL)生物产氢的影响。结果表明，接种量影响IM9的产氢；IM9生长和产氢适宜温度均为35℃；IM9不能利用无机氮源，而有机氮是IM9生长、产氢的适宜氮源；葡萄糖是IM9发酵产氢的最适宜底物，当浓度为10g／L时，IM9的葡萄糖利用率为100％，氢气得率为1．69molH2／mol glucose；此外，IM9可利用小麦、大豆、玉米、土豆及糖蜜废水和啤酒废水产氢，其中利用糖蜜废水、啤酒废水产氢分别为137．9ml H2／g COD和49．9ml H2／g COD。     

海洋光合菌群利用乙酸产氢的实验研究

通过富集获得产氢海洋光合菌群,该菌群可以有效利用发酵产氢的关键副产物乙酸作为产氢碳源.温度、光照强度、起始pH和乙酸浓度都对该菌群产氢和生长有明显影响.当在30℃、4000lx光照和起始pH=8.0的条件下培养时,此光合菌群产氢量和底物转化效率较高.乙酸浓度对产氢影响巨大,低浓度乙酸的底物转化效率较高,但总产氢量不高;高浓度乙酸的底物转化效率不高,但总产氢量较高.此实验结果为海洋光合细菌与海洋发酵细菌偶联产氢提供科学参考.     

太阳光谱对光合细菌生长及产氢特性的影响研究

测定了紫色非硫细菌F1、F5、F7、F11,紫色硫细菌S7、S9和绿色硫细菌L6吸收光谱。发现F1、F5、F7、F11具有相似的可见光吸收特性,均在375、490和590nm附近有吸收峰;S7、S9具有相似的吸收特性,在380nm和490nm附近有吸收峰;L6在590nm附近有吸收峰。分别采用中心波长为400、470、540、600、700nm,带宽为100nm的太阳光进行光合细菌的生长和产氢特性试验,发现改变太阳光光照波段,对同一菌株的生长特性和产氢特性均有显著的影响。     

固定化光合细菌利用低分子有机酸的产氢特性

通过固定化光合细菌对低分子有机酸进行了光合产氢的批式试验研究.利用修正的Gompertz方程进行产氢动力学分析,并且对产氢过程中pH变化、有机酸的氢转化率以及有机酸初始浓度对产氢的影响等进行了分析.结果表明固定化能提高产氢率,以海藻酸钠为固定化载体的产氢效果最佳.同时发现有机酸产氢存在最佳初始浓度,其中乳酸产氢的最佳初始浓度为0.049mol/L,对于乙酸、丙酸和丁酸这3种小分子羧酸,其最佳初始浓度的大小随着有机酸碳原子数的增加而减小,即乙酸(0.043mol/L)丙酸(0.029mol/L)丁酸(0.022mol/L).乙酸的最大氢转化率最高,达到65.3%.浓度对氢气含量没有影响,而对于乙酸、丙酸和丁酸,氢气含量随着有机酸碳原子数的增加而增大.     

二价铁系离子对混合菌种光合产氢的影响

针对不同浓度的Fe2+、Co2'和Ni2+对混合菌种的光合产氢与生长的影响进行实验研究.结果表明适当浓度的二价铁系离子对产氢及生长具有一定促进作用.Fe2+、Co2+和Ni2+最佳产氢浓度分别为9.00、0.45和0.10wnol/L,而对产氢的影响作用大小顺序为:Fe2+>Ni2+>Co2+.二价铁系离子在适当浓度范围内可提高生长速率,其中Co2+对生长的促进作用最大.由于pH值影响二价铁系离子对产氢酶活性的作用,针对Fe2+浓度在不同初始pH值时对混合菌种光合产氢的影响进行实验研究.结果表明当pH=7.0时,Fe2+ 浓度的变化对产氢的影响最显著.而在本试验范围内,随着pH值偏离7.0,Fe2+浓度的变化对产氢的影响逐渐减小.     

Fe对产氢发酵细菌发酵途径及产氢能力影响

经过对20株产氢发酵细菌的静态发酵试验，结果发现加入Fe的培养液中细菌发酵由原来的丁酸型发酵过程向乙醇型发酵过程转化；在有机物发酵产氢的两个主要途径中，Fe为必要成分之一，其参与促进酶促反应的进行。在相似培养条件下，单质Fe与Fe^2 均可诱导细菌代谢向乙醇型发酵转化，其中单质Fe的作用能力优于Fe^2 ；在细菌代谢过程中，单质Fe具有提高细菌发酵产氢能力的作用。     

光照波长对HAU-M1光合菌群产氢影响的研究

以菌体干重、比产氢速率、pH值和葡萄糖浓度等为主要实验指标,研究不同波长光源对HAU-M1光合菌群生长及光发酵产氢的影响,并用产氢动力学对光合菌群产氢进行分析.结果表明:相同光照强度下,相对于连续全光谱,492～622 nm波长光照能促进光合菌群生长及产氢;492～577 nm波长下菌群生长及产氢效果最佳,菌体干重达到...     

气相条件对混合菌种光合产氢的影响

针对不同气相条件对混合菌种以及纯菌种生长与产氢的影响进行了试验研究.结果表明N2、O2、Ar、H2的高纯气相条件均能够促进菌体的生长,但对产氢有明显的抑制,表明高纯气创造出的厌氧环境不适于产氢.CO2不仅对产氢有抑制作用,同时明显抑制菌体的生长.气相中大量的O2对固氮酶以及氢酶的毒害导致无法产氢,而微量O2的存在却能对产氢有促进作用,尤其是在Ar与微量O2的混合气相条件下,产氢率达到最高的2.38mol/mol乙酸钠,且产氢延迟期最短.同时发现气相条件对混合菌种产氢较纯菌种Rh.Palustris Z02的影响小.