藍細菌製氫研究進展
喻國策*王建龍（清華大學核能與新能源技術研究院環境技術研究室北京100084）
摘要 藍細菌具有很低的營養需求，能夠利用太陽能直接光解水產生氫能，利用藍細菌產氫是理想的生物製氫方式之一。目前，藍細菌氫的產率尚未達到實際應用的要求。藍細菌產氫依賴於菌株的遺傳背景和產氫的環境條件。對藍細菌產氫生理、產氫速率、產氫的環境條件、菌株篩選和突變株構建以及在光生物反應器中產氫的特征作了綜述，以期有利於藍細菌產氫水平的提高。
生物製氫是一條能夠利用可再生資源的環境友好的途徑，它具有反應條件溫和、過程清潔和不消耗礦物資源等優勢。生物製氫包括利用厭氧和兼性厭氧細菌、光合細菌、藍細菌和綠藻製氫等幾種方式。其中，利用藍細菌製氫由於藍細菌的下述特征而成為理想的生物製氫方式之一：（1）藍細菌能夠直接光解水放氫，將太陽能轉化為氫能；（2）藍細菌生長營養需求低，隻需空氣（CO2和N2分別作為碳源和氮源）、水（電子和還原劑來源）、簡單的無機鹽和光（能源）。藍細菌製氫作為一種有前途的生物製氫方式多年來一直受到人們的重視。
1藍細菌放氫生理
藍細菌是一類能夠進行放氧光合作用的原核生物，具有在功能和結構上與真核細胞葉綠體相似的光合作用單元，和與革蘭氏陰性細菌相似的細胞壁結構和組成。藍細菌具有單細胞、絲狀和菌落等多種形態。藍細菌中參與氫代謝的酶主要有固氮酶、吸氫酶和可逆氫酶（或稱雙向氫酶），其中，固氮酶在催化固氮的同時催化氫的產生，吸氫酶可氧化固氮酶放出的氫，可逆氫酶既可以吸收也可以釋放氫氣。藍細菌放氫是這三種酶共同作用的結果。固氮酶、吸氫酶和可逆氫酶對氧都非常敏感，它們可被空氣中的氧和光合作用放出的氧抑製而失活。
常見的固氮酶是鉬固氮酶，由固氮酶（MoFe蛋白）和固氮酶還原酶（Fe蛋白）組成，MoFe蛋白是約220-240 kDa的雜四聚體（NifD和NifK），Fe蛋白是約60-70 kDa的二聚體（NifH）。Fe蛋白將外部電子供體的電子傳遞給MoFe蛋白，MoFe蛋白將氮還原為氨，同時催化質子的還原：N2 + 8H+ + 8e- + 16ATP→2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi。藍細菌或在無氧條件下固氮，或將固氮和放氧在時間或空間上分離。有些絲狀藍細菌的營養細胞可以分化成專門進行固氮的異形胞，從而實現固氮和放氧在空間上的分離，有些非異形胞藍細菌則會將固氮和放氧在時間上分開。固氮酶除鉬固氮酶外，還包括釩固氮酶和鐵固氮酶，釩固氮酶和鐵固氮酶可以為質子還原分配更多的電子，因而具有比鉬固氮酶更強的放氫能力。
氫酶可以催化反應2H+ + 2e-←→H2，藍細菌吸氫酶和可逆氫酶都是NiFe氫酶。吸氫酶存在於所有固氮的單細胞和絲狀藍細菌中。吸氫酶與膜相結合，在一些絲狀藍細菌中僅在異形胞中表達，在營養細胞中沒有或僅有極少活性。吸氫酶至少由約60 kDa和35 kDa的兩個亞基（HupL和HupS）組成。吸氫酶對氫的回收具有三方麵功能：（1）通過氧氫反應（Knallgas反應）提供ATP；（2）去除氧氣，保護固氮酶免於失活；（3）為固氮酶和其它細胞活動提供電子。在絲狀藍細菌中，吸氫酶和固氮酶具有密切的聯係。
可逆氫酶在固氮和不固氮藍細菌中廣泛存在。可逆氫酶是可溶的或鬆散地結合在膜上。可逆氫酶是由氫酶（HoxH和HoxY）和硫辛酰胺脫氫酶（HoxU和HoxF）兩部分組成的雜四聚體酶，是組成型酶。可逆氫酶和固氮作用不相關，可逆氫酶可能是藍細菌在厭氧環境下釋放多餘還原力的介導物，或作為摒除光合作用光反應產生的低電勢電子的電子閥。
2藍細菌產氫的速率
Benemann等於1974年發現了Anabaena cylindrica在光下氬氣環境中的放氫現象。至今，藍細菌放氫研究已有30年曆史。目前，藍細菌氫的產率尚未達到實際應用的要求，光能轉化效率一般均小於1%。一般認為，10%或更高的光能轉化效率是大規模製氫所需要的。
用於放氫研究的藍細菌包括絲狀異形胞藍細菌、絲狀非異形胞藍細菌、單細胞不固氮藍細菌和海洋藍細菌等10多個屬的藍細菌。比較深入的放氫研究主要是針對少數Anabaena屬和Nostoc屬異形胞藍細菌，如A.cylindrica、A. variabilis和Nostoc PCC 73102，以及個別Synechococcus屬和Synechocystis屬的藍細菌。表1列出了一些典型藍細菌的產氫速率。異形胞藍細菌在空氣環境中生長和在氬氣環境中測定時，比較典型的產氫速率介於0.17-4.2μmol H2 mg chla-1 h-1之間。不過，藍細菌產氫受到培養過程和放氫測定過程多種因素的顯著影響，同一株藍細菌在不同的生長和測定條件下，其產氫速率可能相差10倍之多。A. variabilis ATCC 29413在限製光強90μE m-2s-1下和氣相條件25%N2、2%CO2和73%Ar下生長，在氮營養壓力下（當N2由25%下降至5%時），產氫速率可達45.18μmolH2 mg chl a-1 h-1。絲狀異形胞藍細菌具有比較完善的光合放氧和固氮放氫的分離機製以及較高的產氫速率，是非常有前途的產氫光合微生物之一。
單細胞不固氮藍細菌能夠表現出一定的利用可逆氫酶放氫的能力，尤其是Gloeobacter PCC 7421，其產氫速率可與某些異形胞藍細菌相當（1.38μmol H2 mg chl a-1 h-1）。藍細菌在黑暗缺氧條件下發酵產氫的速率比較低。
表1一些典型藍細菌產氫的速率
Table 1Rates of hydrogen production by some typical cyanobacteria
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菌株 |
最大產氫速率 μmol mg chla-1 h-1 |
生長條件 |
測定條件 |
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異形胞藍細菌 |
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Anabaena sp. PCC 7120 |
2.6 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
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Anabaena cylindrica IAM M-1 |
2.1 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
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Anabaena variabilis IAM M-58 |
4.2 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
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Anabaena cylindrica UTEX B 629 |
0.91 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
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Anabaena flos-aquae UTEX LB 2558 |
3.2 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
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Anabaenopsis circularis IAM M-4 |
0.31 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
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Nostoc muscorum IAM M-14 |
0.60 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
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Nostoc linckia IAM M-30 |
0.17 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
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Nostoc commune IAM M-13 |
0.25 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar; 60μEm-2s-1 |
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Anabaena variabilis ATCC 29413 |
45.18 |
Ar+N2(25%)+CO2(2%); 90μEm-2 s-1 |
Ar + N2(5%)+CO2(2%); 90μE m-2s-1 |
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Anabaena azollae |
38.5 |
空氣 + CO2(2%); 113μE m-2s-1 |
Ar; 140μE m-2s-1 |
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非異形胞藍細菌 |
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Synechococcus PCC 6803 |
0.26 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2 (1.34 mmol/L); 黑暗 |
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Synechococcus PCC 602 |
0.66 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L); 20-30μEm-2s-1; 或 Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2 (1.34μmmol/L); 黑暗 |
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Microcystis PCC 7820 |
0.16 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2(1.34 mmol/L); 20-30μEm-2s-1 |
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Gloeobacter PCC 7421 |
1.38 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2(1.34 mmol/L); 20-30μEm-2s-1 |
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Synechocystis PCC 6308 |
0.13 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
Ar + CO(13.4μmol/L) + C2H2(1.34 mmol/L); 20-30μEm-2s-1 |
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Aphanocapsa |
0.40 |
空氣; 20μE m-2 s-1 |
20-30μE m-2s-1 |
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