发展氢能的微生物途径

清风明月

发展氢能的微生物途径
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/ m% y3 f3 q$ H# u6 i      发展洁净能源或替代新能源是未来能源建设的世界潮流，其中氢能是最佳的选择。多途径开发氢能，其中利用微生物有效开发氢能是重要途径之一。人们熟知，氢是“水之源”，2个氢原子结合成氢分子，氢气在氧气中易燃烧释放热量，并生成水。由于氢、氧结合不会产生CO2、SO2、烟尘等污染物，所以氢被看作是未来理想的洁净能源，有“未来石油”之称；也可用于燃料电池的研制，氢能和燃料电池技术将会彻底改变全球能源系统的发展方向，氢在自然界中算是最丰富的元素之一，它存在于淡水、海水之中，也存在于碳氢化合物和一切生物质中。因此，对氢能的研究开发引起国内外的高度重视，并将其作为洁净能源研发的一种重要战略措施。氢能作为气态能源之一，不仅洁净，而且高效，不污染环境，将是本世纪能源发展的一大方向。发展氢能将成为国际上关注的热点，而生物氢能的研发同样吸引各国研究者和企业家的关注。
  G2 A5 s$ j3 j# ?& D    美国政府对氢能的研究投入1.2亿美元，以加速氢能（和燃料电池）的发展，预计到2010年，在美国将会兴起氢经济；在欧洲，如德国等对氢燃料研究开发占有较大比例；日本把生产氢能作为可再生能源长期发展的途径来考虑，认为这是发展洁净能源最佳选择；我国也在加强生物氢能的研究开发。国内外高度重视氢能的研发，并采取多途径索取氢能，这是大势所趋。据报道，全球大约99%的氢源于石油，而石油又是一类用量最大的非再生能源，争夺石油也异常激烈。当然，也可考虑其它氢能来源，如可用电力电解水制氢；也可利用太阳能生产氢气（主要是日本）等等。与此同时，在考虑氢能发展时，还要考虑如何使用氢能更方便。美国在这方面有所准备，在其国内已建立第一个氢气站，为氢气使用者带来便利。
, T- C6 M" w2 p9 }    除了上面提到获取氢能的某些途径之外，微生物制氢技术的研究与开发是未来发展洁净能源的一个重要途径。有几项研究成果尽管还未完全进入产业化，或还处于试验或“中试”阶段，但对生物氢能的发展值得进一步关注，介绍如下几方面：
   一、异养细菌发酵制氢
1 g/ |4 A7 P: d2 L( E$ c3 v+ [- N    美国宾夕法尼亚州大学研究人员利用源于土壤的产氢细菌（菌种不详），以制糖工业废水为原料发酵生产氢气，并采用细胞固定化技术保持该菌株产氢的连续性，提高产氢效率。其实，通过发酵途径生产氢气的异养细菌很多，如梭菌（Clostridium）、肠杆菌（Enterobacter）、埃希氏杆菌（Escherichia）、柠檬杆菌（Citrobacter）、芽孢杆菌（Bacillus）、脱硫弧菌（Desulfovibrio）和产甲烷菌（Methanobacter）等，不论是严格厌氧菌或是兼性厌氧菌，对同样有机底物的利用和产氢能力各不一样，各菌种不同，其功能各异，前者多用它的纯培物，后者多为混合培养的优势菌，但必须防止氢营养菌的入侵（污染），可采用降低pH值来抑制或杀死氢营养菌，因此，选育合适的优势产氢菌种是研究产氢效能的基础，也是一个关键。
   二、厌氧梭菌发酵制氢
    日本北里大学研究人员以各种生活垃圾，如剩菜、肉骨等经处理后作为生产氢的原料，借助一种梭菌（Clostridium）AM21B菌株，于37℃，发酵生产氢气，1公斤垃圾有效分解代谢，并获得49毫升氢气，有望实现规模生产。也有采用固定化细胞（酶）技术用于梭菌生产氢气，如一种丁酸梭菌（Cl. butyricum）利用葡萄糖作为供氢体，包埋于聚丙烯酰胺载体中，在37℃条件下可连续产氢20天，最大产氢量达到1.8~3.2 L/L.d；同时还必须优化产氢条件，如铁、磷无机营养的满足，铁是氢化酶的重要组成成分，而氢化酶的活性随铁的消耗而下降；铁也是氧化还原酶的重要组成部分。该菌以甘油发酵产氢，铁-磷不足会导致该菌代谢途径的改变。在我国，中科院微生物研究所研究人员从垃圾处理场污泥中获得一种新的产氢梭菌（Clostridium defluvii），在最适营养、温度、pH值条件下有效产氢。因此，对产氢细胞不论是游离细胞或是固定化细胞，发酵生产氢所需要复杂的生态条件因素时时不可忽视。
    三、混合微生物发酵制氢
    我国大连化物所研究人员利用3种微生物，如丁酸梭菌（Cl. butylicum）、产气肠杆菌（Enterobact. aerogenes）和麦芽糖假丝酵母（Candida maltose）于36℃混合发酵废弃有机物48小时，产氢量达到每升22.2 ml/h，平均产氢为15.45 ml/h.L，这3种菌有协同产氢效应，即产气肠杆菌起主导作用，另两种菌同时协同作用，使代谢产物不易积累，为彼此之间创造生存环境，使3种菌株代谢活性充分发挥起来，从而提高产氢能力，增加产氢量。由此可见，选择混合菌制氢，利用其互补性，创造互为有利的生态条件，是一条可取的微生物制氢途径。
    四、活性污泥发酵制氢
    实质上也是一种混合菌制取氢的方法。在我国，哈尔滨建筑大学研究人员以有机废水（含糖类、纤维素等）为原料借助厌养发酵污泥（含厌养菌等）接种与50 m³反应器中进行发酵，并产生氢气，每天可获取250~285 m³氢气，纯度可达99%以上，已完成了中试，有望实现工业化生产，并在哈尔滨建立小规模“生物制氢产业化基地”，生产氢气可达600 m³/d。但这项制氢技术涉及活性污泥接种剂，其所含微生物群落及其各自功能作用、优势菌群种类及其生态关系以及它们产氢的持续性、稳定性仍值得进一步探究。在国外，研究厌氧污泥用于产氢及其过程，涉及氢的纯度问题，研究从降低pH值来抑制不相干细菌的生长和繁衍，如甲烷菌是不相干者，它所需最适pH值为7，而在静态罐培养时pH值降到4~5，从而可阻断该菌产生甲烷，这样为活性污泥含菌在降解有机物产生氢和有机酸方面创造良好条件，增加了发酵气体中氢的浓度。显示活性污泥用于处理有机废水制造氢气所具有的特色；对比活性污泥法与纯菌种法生产氢的能力确有不同之处，实验结果表明，前者可获得氢气66 ml/g.h，而后者只有氢51 ml/g.h，从此也可以看出，前者确实优于后者。这表明的充分利用不同产氢菌及其互生菌的混合培养、发酵制取氢气的优势，从而可达到利用活性污泥或混合培养之间的协同作用，以达到最佳的产氢效果。要不断地总结经验，有所发现，有所创新和前进。
4 m2 g; j, M6 M    五、光合细菌利用有机废水生产氢
    这是制氢的一条重要途径。光合细菌不仅产氢，而且具有多种功能得以利用；它的产氢速率大大高于其它类型的微生物，每克菌体每小时可获得最大产氢量（51 ml/ h.g）。这类光合细菌是行使不放氧的光合作用，产生的氢没有氧的混合，纯度高。在我国，已有利用豆腐制品废水为原料，通过光合细菌固定化技术，可连续产气达260小时以上，平均产气率146.8~351.4 ml/ L.d，气体中氢的含量为60%以上，若维持产气93小时，平均产气率为120.7~140 ml/ L.d，而气体中含氢量75%以上。这些光合细菌包括具有固氮作用的荚膜红假单胞菌（Rhodopseudomonas capsulatus），它能持续产氢10天以上（45 ml/L.h），而其中有的光合细菌产氢量为260 ml/g.h，达到最大的产氢率。然而，光照对该菌的光合作用是必需的；光不是对其行固氮作用的固氮酶活性是个限制因素；就深红红螺菌（Rhodospirillum rubrum）而言，一种突变株固氮酶活性不受氨存在的影响，也就是说，氨态氮存在下该菌照样继续固氮产氢。日本、美国等国研究人员用基因工程技术建构高效产氢光合细菌用于氢能生产，达到较高的产氢率，可用于实际氢能生产水平。另据报道，有的国家建立“光合细菌工厂”，每天可生产10吨液态氢，作为飞机燃料，试飞取得成功。
    六、微型藻是制氢的重要途径
+ V; f6 A6 H6 R- p    藻类如同光合细菌一样行光合作用产氢，如蓝藻（又称蓝细菌）中的柱状鱼腥藻（Anabaena cylindria），属于异形胞种类，光水解产氢和氧，也是好氧固氮蓝细菌之一，固氮放氢；聚球藻（Synechococcus），颤藻（Oscillatoria）等这些微型蓝藻都具有产氢能力，每小时每克底物产氢20毫升；有些藻类（原核生物）产氢量达30 ml/L.h，氨氮对其产氢有抑制作用；除原核藻类之外，真核绿藻，如莱因哈德衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）等均具有产氢能力，其产氢量只达到理论值的15%，它们均可实行大规模生产获得氢能。在德国建立了“藻类农场”，为未来开发无污染的洁净氢能源开辟一条重要途径。
    七、甲醇用来生产氢气
' l- L* d2 O: [2 x/ i    甲醇本身是一种可替代能源之一，也是微生物的代谢产物。日本研究人员发现一种发孢甲烷菌，也叫丝孢甲烷弯菌（Methylosinus trichosporium），于30℃培养条件下使甲烷转化成甲醇，并表现其稳定性，用生物反应器细胞固定化技术可连续生产甲醇。然而，用甲醇转化成氢或许有更大的优越性，不论源于生物或非生物生产的甲醇，都有可能利用它气化?水蒸汽反应产生氢气。在日本，已完成了工艺流程生产氢，将其作为燃料驱动燃气轮机带动发电机组发电，已进入实用化，显示其优越性，对环境不造成大的污染，而成本又低于石油、天然气。但有一点值得注意，就是燃烧甲醇时会产生大量甲醛（一种致癌物质、有毒刺激眼睛），比石油燃烧多几倍，有害人体健康，必须考虑解决。也就是说，甲醇气化产生氢时如何同时使甲醇降解或转化（氧化），变有害为无害，或者能有效回收，这需做进一步研究解决。
# W5 f/ ]* _2 j8 i0 K5 d    此外，非生物途径制氢方法也应引起注意：（1）用废塑料制氢的新技术。日本NKK公司采用会聚冲击波原理，利用一些没有使用价值的含氢、烃的废塑料，于约200℃在蒸汽气化中生产氢气。这项技术的应用既处理了塑料废弃物，保护了环境，又获得洁净氢能源。（2）光催化剂制氢。日本研究人员以水为原料，利用可见光及其新型光催化剂使水分解，从而获得氢气。日本一家产业技术综合研究所成功开发出一种新型光催化剂（铟钽化合物），用阳光等可见光照射水，使水分解成氢和氧，为简便制取氢气提供可能，这在世界上尚属首创。此新型光催化剂可促进阳光中波长402 nm可见光域的可见光与水反应，使其分解成氢和氧。目前仍处于试验研究阶段。使用0.5 g这种光催化剂，每小时可制取氢2-3 ml，离实用化尚远。但研究者打算利用纳米技术将光催化剂的结构进行改良，以提高分解水的效率达100倍以上，这将有望加快这项技术的实用化。美国宾夕法尼亚州一所大学研究人员在这方面研究也取得类似结果。
  U! H4 s! Z) j' k    总之，产氢微生物作为一类生物资源很有开发潜力，不仅从中获得洁净氢能源，而且从中可获取有价值的生理活性物质。然而。微生物在产氢过程中如何确保所使用的微生物（不论是原核的或是真核的）的有效性、持续稳定性和对不同生态条件的适应性仍然是个需要深入探究的课题。现代生物技术的应用对改造菌种、选育最适合工业化生产的优良菌种，创造其最适需要的条件，致使产氢微生物发挥各自的特定功能等方面是有潜力的；并与细胞（酶）固定化或共固定化技术相结合，有可能为氢能高效生产、更好服务能源经济建设做出重要贡献。与此同时，发展包括氢能在内的洁净新能源是保证国家经济建设稳健发展的一个很重要因素，为此，本着独立自主、勤俭办一切事业的精神，加快洁净新能源研究与开发的步伐，这是时代发展的必需。