光合細(xì)菌是能在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用有機(jī)物作供氧體兼碳源，進(jìn)行光合作用的細(xì)菌，而且具有隨環(huán)境條件變化而改變代謝類型的特性。能夠?qū)崿F(xiàn)光生物制氫的微生物有3類：好氧型綠藻、藍(lán)綠藻和厭氧型光合作用細(xì)菌。這些所謂的光氧生物將光作為能源，充分利用太陽能，進(jìn)行只放氫不產(chǎn)氧活動(dòng)。其中光合作用細(xì)菌比藍(lán)藻和綠藻的產(chǎn)氧純度和產(chǎn)氫效率要高。同時(shí)，光合細(xì)菌產(chǎn)氫條件溫合，能利用多種有機(jī)廢棄物作底物進(jìn)行產(chǎn)氫，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和廢棄物利用雙重效果，故光合細(xì)菌制氫被認(rèn)為是未來能源供給的重要形式和途徑。

 

Gaffron、Rubin和Spruit同時(shí)報(bào)道了利用光生物過程進(jìn)行產(chǎn)氫和氧，就是利用太陽能和光合微生物進(jìn)行有效產(chǎn)氫過程[18,19]。光合細(xì)菌產(chǎn)氫過程可以通過兩種途徑實(shí)現(xiàn)：去除全球溫室氣體CO2，生成非污染的可再生的能源（通過綠藻和藍(lán)細(xì)菌的生物光合作用）；利用對(duì)環(huán)境生態(tài)有害的廢棄物作為底物（通過光合細(xì)菌的光發(fā)酵）。自從Gest首次證明光合細(xì)菌可利用有機(jī)物作為供氫體，實(shí)現(xiàn)光合作用防放氫以來，光合放氫機(jī)制的研究始終是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。日本、美國、歐洲的科研人員對(duì)此做了大量的研究，但光合放氫過程非常復(fù)雜而且精密性較高，目前的研究還主要集中在高活性產(chǎn)氫菌株的篩選、優(yōu)化以及環(huán)境條件的選擇上，目的是提高產(chǎn)氫量，研究水平的規(guī)模還基本處于實(shí)驗(yàn)室階段。

 

與熱化學(xué)和電化學(xué)制氫相比，光合生物制氫有很多局限性，產(chǎn)氫率很低。理論上，在直接生物光合作用的過程中，2mol水科研生成2mol氫氣；在非直接的生物光合作用中，1mol葡萄糖中可以生成12mol氫氣；在光發(fā)酵過程中，1mol乙酸中可以產(chǎn)生4mol氫氣。但是實(shí)際的產(chǎn)氫率比最大的理論產(chǎn)氫率低得多，其原因是在藻類和藍(lán)細(xì)菌中涉及產(chǎn)氫酶，如果化酶和固氮酶，體系產(chǎn)生的氧氣使其活性迅速降低。利用紫色光合細(xì)菌進(jìn)行產(chǎn)氫的優(yōu)勢(shì)在于沒有氧氣的干預(yù)，但是氫化酶的吸收使整個(gè)過程的產(chǎn)氫率降低。

 

1.原理

光合微生物的生理功能和新陳代謝作用是多樣化的，因此其具有不同的產(chǎn)氫路徑。光合生物制氫路徑如圖3-4所示（P106）。藍(lán)藻和綠藻通過直接和間接光合作用都可以產(chǎn)生氫氣。

藍(lán)藻和綠藻的直接光合作用產(chǎn)氫過程是利用太陽能直接將水分解生成氫氣和氧氣。在捕獲太陽能方面顯示出類似高等植物一樣的好氧光合作用，其中包含兩個(gè)光合系統(tǒng)（PSⅠ和PSⅡ）。當(dāng)氧氣不足時(shí)，氫化酶也可以利用來自鐵氧化還原蛋白中的電子，將質(zhì)子還原，產(chǎn)生氫氣。在光反應(yīng)器中，細(xì)胞的光合系統(tǒng)PSⅡ受到部分抑制會(huì)產(chǎn)生厭氧條件，因?yàn)橹挥猩倭克谎趸裳鯕?，殘余的氧氣通過呼吸作用被消耗了。

化學(xué)反應(yīng)式為

2H2O+hν→O2↑+4H++Fd(red)(4e-)→Fd(red)(4e-)+4H+→Fd(ox)+2H2

間接的生物光合作用是有效地將氧氣與氫氣分開的過程，尤其在藍(lán)藻中最常見，存儲(chǔ)的碳水化合物被氧化，而產(chǎn)生氫氣。

化學(xué)反應(yīng)式

12H2O+6CO2→C6H12O6+6O2;C6H12O6+12H2O→12H2+6CO2

在厭氧的黑暗條件下，丙酮酸鹽鐵氧化還原蛋白的氧化還原酶使丙酮酸鹽失去碳酸基，乙酰輔酶A通過鐵氧化還原蛋白的還原作用生成氫氣。丙酮酸脫氫酶（PDH）會(huì)在丙酮酸鹽的代謝過程中產(chǎn)生NADH，在陽光較少的地方，鐵氧化還原蛋白被NADH所還原。固氮的藍(lán)細(xì)菌主要通過固氮酶產(chǎn)生氫氣（將N2固定為NH3），而不是通過有雙向作用的氫化。然而在很多沒有固氮的藍(lán)細(xì)菌中，通過具有雙向作用的氫化酶，也能觀察到氫氣的生成。

兩類主要的光合作用細(xì)菌有紫色細(xì)菌和綠色細(xì)菌，只利用一個(gè)光系統(tǒng)進(jìn)行光合作用。綠細(xì)菌具有PSⅠ型反應(yīng)中心。無機(jī)/有機(jī)的底物被氧化，給出電子，通過FeS蛋白將鐵氧化還原蛋白還原。對(duì)于暗反應(yīng)以及產(chǎn)氫反應(yīng)而言，被還原的鐵氧化還原蛋白直接作為電子給體。相比較而言，紫色細(xì)菌含有類似反應(yīng)中心的PSⅡ體系，它不能還原鐵化還原蛋白，但是可以通過循環(huán)電子流產(chǎn)生ATP。固氮酶促進(jìn)的氫氣釋放過程所需要的電子來自于無機(jī)/有機(jī)的底物。通過反應(yīng)中心細(xì)菌葉綠素進(jìn)入"苯醌池"。 苯醌的能壘不足夠負(fù)，去直接還原NAD+。因此，來直苯醌池的電子會(huì)被迫反過來還原NAD+為NADH。這個(gè)過程所需要的電子被稱為逆電子流。在整個(gè)過程中并沒有氧氣的生成，所產(chǎn)生的氫氣凈總量受氫化酶活性的影響。有研究表明，在生物光合作用產(chǎn)氫方面，紫色細(xì)菌的光合作用被認(rèn)為是最好的，因?yàn)樽仙梢岳霉I(yè)廢物和發(fā)酵過程的幅產(chǎn)物（比如有機(jī)酸等）。

 

2. 光生物反應(yīng)器

為了提高生物制氫的產(chǎn)氫率，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種光生物反應(yīng)器。在光生物反應(yīng)器，光能被轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)能。光生物反應(yīng)器區(qū)別于其他普通反應(yīng)器的最基本的因素為：反應(yīng)器是透明的，使光最大限度地透過；能源是瞬時(shí)的，不能存儲(chǔ)于反應(yīng)器中；細(xì)胞發(fā)生自身遮蔽。自身遮蔽導(dǎo)致額外吸收的能量發(fā)生損失，熒光和熱會(huì)使溫度升高，生物反應(yīng)器需要附加冷卻系統(tǒng)。反應(yīng)器的厚度通常較小，從而增加反應(yīng)器面積與體積比，避免細(xì)胞自我遮蔽的影響。

影響光生物反應(yīng)器制氫效率的因素很多，為了提高光合物的制氫量以及生物量，人們?cè)O(shè)計(jì)了多種生物反應(yīng)器，在眾多的反應(yīng)器中，目前應(yīng)用最多的是管狀平板立柱式光生物反應(yīng)器。各種光生物反應(yīng)器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比如在管式光反應(yīng)器中，可以得到較大的光輻照面積，但是由于光合作用產(chǎn)生的溶解氧濃度較高以及泵輸入的能量也較多，使這種反應(yīng)器的規(guī)?；艿搅讼拗?。在立柱式的光生物反應(yīng)器中，光的輻照面積較小，但是由于其形狀小巧、價(jià)格低廉、容易操作以及可以用鼓泡的方法進(jìn)行攪拌等因素，在微藻類和光合作用細(xì)菌進(jìn)行制氫時(shí)，立柱式光生物反應(yīng)器仍然得到了廣泛應(yīng)用。在平板式反應(yīng)器中，光合作用效率高、氣壓可控。與其他反應(yīng)器相比成本低，但是其在制氫過程中，卻很難保持培養(yǎng)溫度的恒定以及適當(dāng)?shù)臄噭?dòng)。

除了光生物反應(yīng)器的形狀對(duì)制氫效率的影響之外，光生物反應(yīng)器的物理化學(xué)參數(shù)也影響著氫氣的產(chǎn)生，例如溶液的pH值、溫度、光強(qiáng)、光穿透的深度、溶解氧、溶解CO2、攪動(dòng)、氣體交換、碳源和氮源以及兩者的比例等。光生物反應(yīng)器是敞開的還是封閉的，將影響這些物理化學(xué)參數(shù)的設(shè)定。

限制生物法大規(guī)模制氫的主要因素是只有有限的光能透射進(jìn)入反應(yīng)器深處；外部光源通過光纖光纜被放入反應(yīng)器的較深區(qū)域，并且使光源均勻分布。這種分散的光源對(duì)制氫起到關(guān)鍵的作用。

 

3.生物產(chǎn)氫酶

在生物制氫過程中，有兩種主要的酶，即氫化酶和固氮酶，它們?cè)谏锂a(chǎn)氫中起到催化的作用，將質(zhì)子H+還原，生成分子H2。這兩種酶都屬于金屬蛋白。

1）氫化酶：生物所發(fā)生的一系列分解水產(chǎn)氫行為，都基于連續(xù)排列的具有催化功能的氫化酶亞單元；據(jù)研究，存在3種不同類型的氫化酶，即[NiFe]氫化酶、[FeFe]氫化酶和Fe-S氫化酶，其中Fe-S氫化酶后來被命名為[Fe]氫化酶；每種酶中都存在著具有特定功能的核。[FeFe]氫化酶的產(chǎn)氫量較高，而[NiFe]氫化酶的耐氧能力較強(qiáng)，[Fe]氫化酶不參與產(chǎn)氫行為。[Fe]氫化酶通過H2將CO2催化還原為甲烷，依賴這種酶的細(xì)菌大部分都是產(chǎn)烷生物。

2）固氮酶：固氮酶對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是非常重要的，因?yàn)橥ㄟ^固氮作用，可以將大氣中的N2轉(zhuǎn)化為NH3，為土壤進(jìn)行了自然施肥。固氮酶主要進(jìn)行固氮的同時(shí)，也能產(chǎn)生氫氣。研究發(fā)現(xiàn)，在氮?dú)庥邢薜臈l件下，固氮酶能產(chǎn)生較多的氫氣。

生物產(chǎn)氫酶在生物制氫過程中起到重要的作用，但是研究發(fā)現(xiàn)大部分的生物產(chǎn)氫酶都會(huì)對(duì)氧氣非常敏感。在分解水產(chǎn)氫的過程中，氧氣的產(chǎn)生是不可避免的，于是生成氫氣的連續(xù)性就會(huì)受到影響。目前為止只有少數(shù)的氫化酶表現(xiàn)出對(duì)氧氣的耐性，人們也嘗試了很多辦法去培育能對(duì)氧耐受的變異體。據(jù)觀察，海藻氫化酶是最小最簡單的氫化酶，其對(duì)氧失活最敏感，由于只有活性位點(diǎn)所在的H組編碼，所以海藻氫化酶對(duì)氧失活更敏感一些。而F組編碼可以保護(hù)活性位點(diǎn)，避免其發(fā)生氧氣失活。H組的氨基酸順序或者活性位點(diǎn)區(qū)域的氨基酸成分是非常關(guān)鍵的，直接關(guān)系到其對(duì)活性位點(diǎn)的保護(hù)，避免受到氧氣的影響。

 

固氮酶對(duì)氧氣也敏感，但是與氫化酶相比，其對(duì)氧氣的敏感性要相對(duì)小一些。固氮酶主要存于厭氧的原核生物中，也存在于藍(lán)細(xì)菌中。通過異核細(xì)胞，厭氧氫的產(chǎn)生與好氧光合作用隔離開來。在氮?dú)庥邢薜臈l件下，有利于氫的產(chǎn)生，同時(shí)氫的產(chǎn)生是一個(gè)高耗能的過程。