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氫氣作為一種無碳的清潔能源,具有發(fā)熱值高、能量轉化效率高和燃料產(chǎn)物清潔無污染等優(yōu)點,是一種極有潛力的化石燃料替代能源。生物制氫方式通過完整的細胞催化有機物或水裂解生成氫氣,降低了反應的活化能,無需苛刻的反應條件,使制氫過程變得簡單易行,但是由于受到原料成本和制氫效率的限制,目前其生產(chǎn)成本仍然較高。到目前為止,已報道的能進行生物產(chǎn)氫的生物有5種,分別是異養(yǎng)型厭氧細菌、固氮菌、厭氧光合營養(yǎng)細菌、真核藻類和藍細菌。根據(jù)生物種類、是否需要光照以及底物的不同等方面分為兩個大的類別:發(fā)酵制氫和光水解制氫。其中發(fā)酵制氫分為暗發(fā)酵制氫和光發(fā)酵制氫,光解水制氫可以分為綠藻光合制氫和藍藻光解水制氫。紫色非硫細菌是一類光能自養(yǎng)型細菌,多分布在淡水、海水和高鹽等含有可溶性有機物和低氧壓的水生環(huán)境中,也常見于潮濕的土壤和水稻田中。英國Hansatech生產(chǎn)的Clark液相氧電極是一款測定溶液中氧氣含量的經(jīng)典儀器。經(jīng)過特殊的電鍍可以改變電極的陰極和陽極進行其他氣體的測定,包括氫氣、一氧化氮等。近期,Medhat Elbadry課題組于International journal of hydrogen energy雜志發(fā)表了題為"Photoheterotrophic growth of purple non-sulfur bacteria on Tris Acetate Phosphate Yeast extract (TAPY) medium and its hydrogen productivity in light under nitrogen deprivation"的研究論文。報道了紫色非硫細菌(PNSB)在磷酸三乙酯酵母抽提物(TAPY)培養(yǎng)基上進行異養(yǎng)生長和使用Clark氧電極(Hansatech,英國)測定其在不同條件下的產(chǎn)氫量。
圖注:在供氮培養(yǎng)基TAPY中培養(yǎng)R. rubrum DSM 467 (A), R. sphaeroides DSM 5864 (B) 和 R. capsulatus JCM-21090 (C)的生長狀況。
研究發(fā)現(xiàn),在缺氮條件下,與黑暗生長相比,PNSB在照光條件下生長更快產(chǎn)氫更多。在無氮條件下紫色非硫細菌R.sphaeroides DSM 5864(以下簡稱DSM 5864)發(fā)酵20h后開始產(chǎn)氫,78h達到最大積累量,發(fā)酵42h后達到最大產(chǎn)氫速率0.669mmol H2 h-1 L-1。由于在缺氮條件下能夠產(chǎn)生氫氣,而在充氮培養(yǎng)基上不產(chǎn)生氫氣,說明固氮酶是負責制氫的酶。
圖注:在光照條件下,無氮TAPY培養(yǎng)基中,R.sphaeroides DSM 5864的累積產(chǎn)氫量(●)和產(chǎn)氫速率(○)。
在無氮TAPY培養(yǎng)基上,DSM 5864在黑暗中無法產(chǎn)生的氫氣,表明光對產(chǎn)氫過程是必要的。由于氫只在缺氮和光照條件下產(chǎn)生,因此,DSM 5864中的固氮酶活性需要光來驅動電子傳遞,從而產(chǎn)生固氮酶所必需的ATP。DSM 5864可能存在光合和厭氧呼吸電子傳遞的相互作用,這需要光和有機碳源(乙酸)來激發(fā)固氮酶的產(chǎn)氫活性。因此,無氮、光照和乙酸是固氮酶產(chǎn)生氫氣所必需的。
圖注:在光照和黑暗條件下,無氮TAPY培養(yǎng)基中,R.sphaeroides DSM 5864的累積產(chǎn)氫量。光照(●),黑暗(○)
為了研究無氮TAPY培養(yǎng)基上重復分批產(chǎn)氫的效果,采用同種菌株發(fā)酵進行了3輪以上的產(chǎn)氫試驗。在每一循環(huán)的制氫對數(shù)階段結束時,通過在介質中添加醋酸鈉,可在三個循環(huán)內(nèi)實現(xiàn)有效的重復間歇制氫。在第2、3輪分批發(fā)酵中的效率分別為94.9%和90.6%。與第一輪相比,第四輪的效率下降了59.2%,第四輪的低效率可能是由于細菌的活力的降低。因此,通過連續(xù)添加醋酸鈉可實現(xiàn)三個循環(huán)的高效重復批量制氫。
圖注:光照條件下,無氮TAPY培養(yǎng)基上R.sphaeroides DSM 5864在重復間歇累積產(chǎn)氫量。第1次(●);第2次(◆);第3次(▲)和第4次(■)循環(huán)的分批發(fā)酵。在每一輪試驗后,按照材料和方法中的描述留下復制瓶,不添加醋酸鈉作為對照。
生物制氫在可持續(xù)的氫經(jīng)濟中發(fā)揮重要作用,在未來的生物工業(yè)中,可以利用廉價的有機廢物,通過暗發(fā)酵和光發(fā)酵產(chǎn)生氫氣。PNSB光發(fā)酵制氫在利用光照和各種有機廢棄物方面具有相當大的優(yōu)勢。