3光合細菌與氫氣
3.1產氫光合細菌
PSB是地球上最早出現的具有原始光合成係統的原核生物的一個類群，屬於水圈微生物，能在厭氧條件下進行不放氧的光合作用產生氫氣[11]。
3.2產氫機理
關於光合細菌產氫機理有兩種觀點: 1)光合產氫是由於非周期電子傳遞鏈功能化的結果，鏈中有反應中心的細菌葉綠素參加; 2)光合細菌在光合作用中僅周期電子傳遞鏈起作用，伴隨ATP形成，同化CO2和其他構建過程所需的還原劑，在供氫體具有較NADH更高的勢能時，或直接在氧化起始基質時產生H2，或在可逆電子傳遞鏈消耗能量時產生H2。光合細菌通過產氫釋放細胞內多餘的能量和電子，調節細胞內生理代謝平衡，是光合作用和固氮作用耦連反應的結果[13]。
3.3產氫基本過程
PSB利用外源性有機物，通過EMP、TCA循環生成ATP, 其細胞含有細菌葉綠素a/b和類胡蘿卜素，在光照條件下，光捕獲複合體的細菌葉綠素Bchl和類胡蘿卜素吸收光子後，其能量被傳送到光反應中心（RC—鑲嵌在細胞膜上蛋白質），其中電子供體將電子傳遞給胞內的電子傳遞鏈,低能態的電子在光反應中心受到光的激發，生成高能態的電子(e*), e*電子一部分離開電子傳遞鏈被傳給鐵氧化還原蛋白(Fe蛋白),鐵氧化還原蛋白則又將電子傳給固氮酶(Mo-Fe蛋白)，另一部分的電子則在電子傳遞鏈中傳遞, 由於PSB隻有PSI而不含PSⅡ，所以該e*經環式磷酸化（如圖3）產生ATP。固氮酶則利用ATP、質子和電子，生成氫氣。其反應式：2H++ 2e- +mATP →H2+mADP +mPi 該反應是不可逆的。m的最小值為4，即每產生1 mol的H2，至少需消耗4 mol的ATP；氫酶則主要起吸氫作用,以回收部分能量[13]。
有人研究紅螺菌科某些菌株有黑暗產氫現象[16]。
3.4產氫關鍵酶及產氫影響因素
固氮酶:在PSB光合產氫中起主要作用的酶是固氮酶。固氮酶是一種結構複雜,功能特異的酶,由Mo-Fe蛋白和Fe-蛋白組成。Mo-Fe蛋白是α2β2四聚體,含有2個Mo,20～30個Fe,以及20～30個S。Fe-蛋白是二聚體,含有4個Fe和4個S，鐵蛋白能結合Mg-ATP將電子從電子供體轉至Mo-Fe蛋白。Mo-Fe蛋白結合底物,在Fe-蛋白協助下將N2還原成NH4+或氨基酸。
Gest研究發現,光合細菌裂解有機物產生分子氫是經厭氧檸檬酸循環途徑產生,固氮酶在缺少含氮底物的條件下,能通過將質子還原成H2,釋放出積累的還原力和ATP。K.Ashok等發現,在振蕩培養條件下,當氧氣濃度大於0.25%時,固氮酶的活性急劇降低;當氧氣濃度達20%時,則完全失活。銨對固氮酶活性具有抑製作用,Y. P Zhang等在研究Rs.rubrum時發現,銨對其固氮酶的活性具有瞬間調節作用[13]。
氫酶：是一種多酶複合物,其主要成分是Fe-S蛋白。根據在細胞中的分布，可將氫酶分為可溶性氫酶（細胞質中）和膜結合態氫酶（細胞膜上或胞外質中）。根據作用機理,可將氫酶分為吸氫酶和可逆產氫酶。
許多光合細菌都具有氫酶,但在不同種屬之間,其結構、催化特性,生理電子載體及細胞定位都有一定程度的差異。其功能的體現與生長時的生理條件密切相關,一般認為,在光合細菌的產氫過程中氫酶不起主要作用,在產氫底物耗盡的情況下,氫酶主要吸收氫氣,回收固氮酶放氫而消耗能量。J.S.Chen認為,氫酶活性除了與質子濃度有關之外,還涉及氫酶活性中心氧化還原狀態、電子傳遞體氧化還原電位等多種因素。氫酶催化放氫速率與反應體係的氧化還原電位有關。試驗體係電位通常接近氫電極電位(-420 mV, pH值7. 0)。若體係電位為-465 mV,放氫反應率最大; -420 mV時,速率為最大值的1/2; -375mV時,速率幾乎等於零[13]。
光合細菌的光合放氫是在光合磷酸化提供能量和有機物降解提供還原力情況下,由固氮酶催化完成[10]。對於大多數光合細菌，光是主要影響因素，PH沒有種屬特異性，供氫體種類的影響因菌種而異，此外，培養時的菌齡及接種量也有一定影響。
4氫能利用與光合細菌產氫
4.1氫能利用現狀
2005年7月,世界上第一批生產氫能燃料電池汽車的公司之一戴姆勒-克萊斯勒公司研製的“第五代新電池車”成功橫跨美國,刷新了燃料電池車在公路上行駛的紀錄,該車以氫氣為動力,全程行駛距離
北歐五國2005年成立了“北歐能源研究機構”,通過生物製氫係統分析,提高生物生產氫能力。2005年7月,德國寶馬汽車公司推出了一款新型氫燃料汽車,充分利用了氫不會造成空氣汙染和產物能循環利用兩大優點,生產出時速最高可達
2000年,中國國家科技部批複了“氫能的規模製備、儲運及相關燃料電池的基礎研究”,973項目正式立項。目前我國已成功研製出燃料電池轎車和客車,累計實驗運行2000多公裏,這標誌著中國具備開發氫動力燃料電池發動機的能力,有關專家預計, 2010年世博會召開時,燃料電池轎車將會小批量、示範性地行駛在街頭[5]。
4.2光合細菌產氫研究現狀
生物製氫技術正處於探索和研究的初級階段，大量研究工作還有待進行，一方麵，微生物多樣性及各菌群之間關係的複雜性，使得單一分離的菌種作用與理論有一定差距；另一方麵，生物新陳代謝過程的複雜性，使得機理的研究依賴於生物技術方麵的相關理論的深入。
產氫工藝條件的研究是生物製氫的基礎性研究，也是目前研究最多的方麵,其主要集中在特定的菌種產氫的最佳環境參數的確定。工藝條件的研究主要包括溫度、光照強度(光合生物製氫)、氣液相成分及含量、氮源種類和添加量、培養基(產氫基質)成分和含量、PH值、接種量、菌齡等各方麵的內容[14,15]。
日本、美國、歐洲等國家對光合放氫進行了大量研究，內容主要集中在高活性產氫菌株的篩選或選育、優化和通過控製環境條件以提高產氫量，研究水平和規模還基本處於實驗室水平[5]。國外現有試驗均為實驗室內進行的小型試驗，試驗數據亦為短期的試驗結果，即便是瞬時產氫率較高,長期連續運行能否獲得較高產氫量尚待探討。我國光合細菌研究也比較深入，尤其利用有機廢水產氫方麵，已達到國際先進水平。但就我省目前情況來看，研究的極少。因此從本省地區分離出高產菌株，並將廢水處理和生產新能源結合起來，實現環保和產能的產業化，具有很大的實用意義。
4.3未來發展
光合細菌產氫由於具有常溫、常壓、能耗低、環保等優勢加上其產氫純度高、對太陽光譜有較寬的響應範圍及可與多種生物組建形成良好微生態體係，所以成為目前國內外研究的熱點。
據有關數據顯示，2000年我國工業和城市生活廢水排放總量為415億噸，工業廢水194億噸，城市生活汙水排放量221億噸[16，19]。光合細菌能利用高濃度有機廢水、汙水（即便濃度很高並且含有有毒性物質，也可以不經稀釋，就能被作為PSB生長基質）來完成自身新陳代謝，釋放出副產物—氫氣；廢水處理和產氫工藝的結合，既達到環境治理的目的，又能利用低價原料生產清潔新能源，是一個集環境效益、社會效益和經濟效益於一體的新型化產業模式[20]。
隨著光合細菌產氫機製研究的不斷深入及生產工藝的不斷優化，相信在不久的將來，PSB產氫會成為氫能利用最廣泛，成本最低，綜合效益最優的技術。
參考文獻：
[1]劉如林，刁虎欣，梁鳳來，趙大健.光合細菌及其應用.[M].中國農業科技出版社，1991：119～666
[2]王革華.新能源概論.[M].化學工業出版社，2006
[3]王革華.能源與可持續發展.[M].化學工業出版社，2006：118～119
[4]中國新能源網：
[5]劉江華.氫能源—未來的綠色能源.[J].新疆石油科技 Vol17.Jan,2007
[6]翟秀靜,劉奎仁,韓慶 .新能源技術.[M].化學工業出版社，2007：53～187
[7]袁振宏,吳創之,馬隆龍.生物質能利用原理與技術.[M].化學工業出版社，2006：317～320
[8]喻國策,王建龍.藍細菌製氫研究進展.[J].中國生物工程雜誌 2205，25（12）：86～91
[9]張明,史家梁.光合細菌產氫機理研究進展.[J].應用與環境生物學報，1999
[10]楊素萍,趙春貴,曲音波,錢新民.光合細菌產氫研究進展.[J].水生生物學報 Vol27 No.1,Jan 2003
[11]席麗娟,徐惠娟.微生學學報.[J]. 2007，34（4）：663～666
[12]周德慶.微生物學教程（第二版）.[M].高等教育出版社，2008：123
[13]唐雅琴,黃冰,劉儀柯.光合細菌微生物產氫研究進展.[J]. 2009,37(2):466-468
[14] 陳雙雅,牛莉莉,東秀珠.厭氧細菌Acetanaerobacterium elongatum從葡萄糖的產氫特性研究.[J].微生物學報2006，46（2）233～237
[15] 李永峰,任南,楊傳平等.生物製氫係統產氫菌的富集培養與分離技術.[J].南京理工大學學報2006，30（3）：185～190
[16]吳啟堂,陳同斌.環境生物修複技術.[M].化學工業出版社，2007：6
[17]姚向君,田宜水.生物質能利用原理與技術.[J].化學工業出版社，2006
[18]蘇亞欣,馬玉如,趙敬德.新能源與可再生能源概論.[M].化學工業出版社，2007
[19]馬放,馮玉傑,任南琪.環境生物技術.[M].化學工業出版社，2003：53-54
[20]劉雙江,楊惠芳等.固定化光合細菌處理豆製品廢水產氫研究.[J].環境科學Vol16（1）
[21]朱瑞豔,王迪,李季倫.深紅紅螺菌draTGB hupL雙突變株在不同光照條件下產氫.[J].科學通報Vol17.Sep,2006
[22]錢一凡,鄭廣宏等.不產氧光合細菌 Rhodobacteria 產氫影響因子研究.[J].工業微生物Vol37.No.5 Oct,2007
[23]張立宏,周俊虎等.活性汙泥分離混合菌的光合產氫特性分析.[J]. 太陽能學報Vol29. No.52 Feb,2008
下一篇：藍細菌製氫研究進展（1）
