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      利用氧電極測定光合細菌在特殊條件下的產氫量

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      氫氣作為一種無碳的清潔能源,具有發熱值高、能量轉化效率高和燃料產物清潔無污染等優點,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,目前其生產成本仍然較高。

      到目前為止,已報道的能進行生物產氫的生物有5種,分別是異養型厭氧細菌、固氮菌、厭氧光合營養細菌、真核藻類和藍細菌。根據生物種類、是否需要光照以及底物的不同等方面分為兩個大的類別:發酵制氫和光水解制氫。

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      其中發酵制氫分為暗發酵制氫和光發酵制氫,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境中,也常見于潮濕的土壤和水稻田中。

      英國Hansatech生產的Clark液相氧電極是一款測定溶液中氧氣含量的經典儀器。經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。

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      近期,Medhat Elbadry課題組于International journal of hydrogen energy雜志發表了題為"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)培養基上進行異養生長和使用Clark氧電極(Hansatech,英國)測定其在不同條件下的產氫量。

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      圖注:在供氮培養基TAPY中培養R. rubrum DSM 467 (A), R. sphaeroides DSM 5864 (B) 和 R. capsulatus JCM-21090 (C)的生長狀況。

      研究發現,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)發酵20h后開始產氫,78h達到最大積累量,發酵42h后達到最大產氫速率0.669mmol H2 h-1 L-1。由于在缺氮條件下能夠產生氫氣,而在充氮培養基上不產生氫氣,說明固氮酶是負責制氫的酶。

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      圖注:在光照條件下,無氮TAPY培養基中,R.sphaeroides DSM 5864的累積產氫量(●)和產氫速率(○)。

      在無氮TAPY培養基上,DSM 5864在黑暗中無法產生的氫氣,表明光對產氫過程是必要的。由于氫只在缺氮和光照條件下產生,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)來激發固氮酶的產氫活性。因此,無氮、光照和乙酸是固氮酶產生氫氣所必需的。

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      圖注:在光照和黑暗條件下,無氮TAPY培養基中,R.sphaeroides DSM 5864的累積產氫量。光照(●),黑暗(○)

      為了研究無氮TAPY培養基上重復分批產氫的效果,采用同種菌株發酵進行了3輪以上的產氫試驗。在每一循環的制氫對數階段結束時,通過在介質中添加醋酸鈉,可在三個循環內實現有效的重復間歇制氫。在第2、3輪分批發酵中的效率分別為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,通過連續添加醋酸鈉可實現三個循環的高效重復批量制氫。

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      圖注:光照條件下,無氮TAPY培養基上R.sphaeroides DSM 5864在重復間歇累積產氫量。第1次(●);第2次(◆);第3次(▲)和第4次(■)循環的分批發酵。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。

      生物制氫在可持續的氫經濟中發揮重要作用,在未來的生物工業中,可以利用廉價的有機廢物,通過暗發酵和光發酵產生氫氣。PNSB光發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勢。


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