淺談光合細(xì)菌產(chǎn)環(huán)保新能源的研究進(jìn)展

安紅霞

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100；2.山東省即墨市環(huán)境保護(hù)局，山東 即墨266200）

1 引言

在有限儲(chǔ)量的化石燃料（石油、天然氣、煤炭）日益減少、能源需求不斷增加以及環(huán)保問(wèn)題所造成的種種壓力的情況下，人類面臨著巨大的能源挑戰(zhàn)，因此生物制氫的研究便應(yīng)運(yùn)而生。能夠產(chǎn)氫的微生物主要有多種厭氧菌、兼性厭氧菌、好氧菌、光合細(xì)菌和藍(lán)細(xì)菌等，其中由于光合細(xì)菌產(chǎn)氫具有便捷、高效、利于維持等特點(diǎn)在生物制氫研究方面顯示出獨(dú)有的魅力。

2 光合細(xì)菌的分類

光合細(xì)菌（Photosynthetic bacteria簡(jiǎn)稱PSB）是水圈微生物的一種，在地球上出現(xiàn)最早，具有原始光能合成系統(tǒng)，主要分布在水的厭氧層中，分布極為廣泛，遍布于土壤、淡水、海水、甚至溫度極高的溫泉、溫度極低的南極海岸以及含鹽量很高的水體中，尤其是富含有機(jī)物的水域中。

目前，已知的光合細(xì)菌約有50多種，光合細(xì)菌屬于原核生物界細(xì)菌門真細(xì)菌綱的紅螺菌目，本目的紅螺菌亞目通常稱為紫色細(xì)菌，紫色細(xì)菌又分為：紫硫細(xì)菌和紫色非硫細(xì)菌；綠菌亞目通常稱為綠色細(xì)菌，綠色細(xì)菌分為綠硫細(xì)菌和綠色非硫細(xì)菌（綠色絲狀菌）。光合細(xì)菌是一類生理上特殊的原核生物，屬革蘭氏陰性菌。這一類群的菌體形態(tài)極為多樣，主要有球狀、桿狀、螺旋狀和卵圓狀。

在光合細(xì)菌中，許多菌種具有運(yùn)動(dòng)性，能運(yùn)動(dòng)的菌種，多數(shù)有極生菌毛，極少數(shù)有周生鞭毛，也有以滑行的方式運(yùn)動(dòng)的菌種。光合細(xì)菌含有類胡蘿卜素和細(xì)菌葉綠素，細(xì)胞色素、泛醌和鐵氧化還原型的非血紅素鐵蛋白。隨光合細(xì)菌種類和數(shù)量的不同，菌體呈現(xiàn)不同的顏色。一般來(lái)說(shuō)，每種光合細(xì)菌的顏色在固定培養(yǎng)的條件下具有特征性。因此，可以通過(guò)細(xì)菌細(xì)胞懸液的吸收光譜來(lái)鑒定菌種［1］。

3 光合細(xì)菌在環(huán)保新能源領(lǐng)域的應(yīng)用

光合細(xì)菌在自然界的物質(zhì)循環(huán)中占有及其重要的地位，參與到碳循環(huán)、硫循環(huán)、氮循環(huán)以及氫氣的產(chǎn)生等生物反應(yīng)中。在當(dāng)今社會(huì)中，光合細(xì)菌以其獨(dú)特的生理特性，在水體凈化、水產(chǎn)養(yǎng)殖、治理污水、開發(fā)生物能源等具有現(xiàn)實(shí)意義的項(xiàng)目中顯示出越來(lái)越重要的應(yīng)用價(jià)值。光合細(xì)菌可降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能為氫能，且具有產(chǎn)氫不放氧、產(chǎn)氫效率高、產(chǎn)氫純度高，對(duì)太陽(yáng)光譜有寬的響應(yīng)范圍等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以將光合細(xì)菌與其他微生物形成共同體系，增加產(chǎn)氫量，延長(zhǎng)產(chǎn)氫時(shí)間，提高產(chǎn)氫效率。

光合產(chǎn)氫的典型代表是紫色非硫細(xì)菌，這類菌可利用各種有機(jī)物作碳源和光合作用供氫體，主要營(yíng)光能異養(yǎng)生活。可同化脂肪酸、碳水化合物及芳香族化合物等多種有機(jī)物；對(duì)H2S很敏感，但有的種能在光照和厭氧條件下氧化低濃度的硫化物；在黑暗中，可好氧生長(zhǎng)，少數(shù)可厭氧生長(zhǎng)（發(fā)酵糖或丙酮酸），但生長(zhǎng)微弱。菌體呈球形、卵圓形、桿狀或螺旋狀，不能氧化硫化物，大部分單個(gè)存在，僅有紅微菌的菌體細(xì)胞間有細(xì)絲連接，形成鏈狀絲狀體。細(xì)胞大小通常為0.6～10μm。在紫色非硫細(xì)菌中，除紅微菌及紅色假單胞菌中極少數(shù)以芽殖方式繁殖外，其他種均以二分分裂繁殖。紅微菌是以細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)絲，在細(xì)胞細(xì)絲的末端形成球形芽，成熟后與細(xì)絲分離即形成子代細(xì)胞。

4 紫色非硫細(xì)菌產(chǎn)氫的機(jī)理和進(jìn)展

產(chǎn)氫是固氮光合細(xì)菌特有的一種性能。光合細(xì)菌固氮和產(chǎn)氫之所以密切相關(guān)，是因?yàn)檫@兩種過(guò)程皆由同一種酶—固氮酶催化。產(chǎn)氫是固氮酶固有的一種能力。在固氮條件下生長(zhǎng)的光合細(xì)菌總是釋放氫氣。當(dāng)?shù)獨(dú)怵囸I時(shí)，產(chǎn)氫能力最強(qiáng)。

其中紫硫細(xì)菌和綠硫細(xì)菌皆在光照厭氧條件下，以還原態(tài)無(wú)機(jī)硫化物或H2作供氫體固氮并產(chǎn)氫。紫色非硫細(xì)菌在光照、嚴(yán)格厭氧條件下，在沒(méi)有N2或N2缺乏時(shí)，利用有機(jī)物產(chǎn)氫［2］。光合細(xì)菌在固氮過(guò)程中，NAD（P）H2提供e－和H＋在固氮酶并沒(méi)有完全用于還原N2成NH3，而是有一部分e－在固氮酶上將H＋還原成H2。在氫化酶參與下e－還原H＋成分子H2。在正常情況下，光合細(xì)菌固氮和產(chǎn)氫同步進(jìn)行。固氮光合細(xì)菌在氮?dú)怵囸I時(shí)，NAD（P）H2中的H＋幾乎全部在固氮酶上被e－還原H＋成分子H2。

1949年Gest和Kamen首先發(fā)現(xiàn)深紅紅螺菌以有機(jī)物為供氫體的光合產(chǎn)氫現(xiàn)象，以后越來(lái)越多的科學(xué)家致力于研究光合產(chǎn)氫，關(guān)于沼澤紅假單胞菌、膠質(zhì)紅假單胞菌、莢膜紅假單胞菌、最細(xì)紅硫菌、酒色紅硫桃紅莢硫菌、沙氏外硫紅螺菌、萬(wàn)尼氏紅微菌和球形紅假單胞菌等都有產(chǎn)氫的報(bào)道［3］。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外也有很多科學(xué)家致力于研究光合細(xì)菌的產(chǎn)氫，對(duì)此的研究也已從對(duì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)角度轉(zhuǎn)向生物工藝技術(shù)的研究開發(fā)階段，其發(fā)展前景不容忽視。

［1］ 徐向陽(yáng)，俞秀娥，鄭 平，等.固定化光合細(xì)菌利用有機(jī)物產(chǎn)氫的研究［J］.生物工程學(xué)報(bào)，1994，10（4）：362～368.

［2］ 安立超，高 謹(jǐn)，張勝田，等.紅色非硫細(xì)菌的生長(zhǎng)特性研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2004，12（5）：35～37.

［3］ 徐向陽(yáng)，鄭 平，俞秀娥，等.固定化光合細(xì)菌處理有機(jī)廢水過(guò)程產(chǎn)氫的研究——Ⅱ.紅假單胞菌菌株D利用有機(jī)物光產(chǎn)氫的特性［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2003，10（14）：288～294.