淺談光合細菌產環保新能源的研究進展

安紅霞

（1.中國海洋大學 環境科學與工程學院，山東 青島266100；2.山東省即墨市環境保護局，山東 即墨266200）

1 引言

在有限儲量的化石燃料（石油、天然氣、煤炭）日益減少、能源需求不斷增加以及環保問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，因此生物制氫的研究便應運而生。能夠產氫的微生物主要有多種厭氧菌、兼性厭氧菌、好氧菌、光合細菌和藍細菌等，其中由于光合細菌產氫具有便捷、高效、利于維持等特點在生物制氫研究方面顯示出獨有的魅力。

2 光合細菌的分類

光合細菌（Photosynthetic bacteria簡稱PSB）是水圈微生物的一種，在地球上出現最早，具有原始光能合成系統，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，尤其是富含有機物的水域中。

目前，已知的光合細菌約有50多種，光合細菌屬于原核生物界細菌門真細菌綱的紅螺菌目，本目的紅螺菌亞目通常稱為紫色細菌，紫色細菌又分為：紫硫細菌和紫色非硫細菌；綠菌亞目通常稱為綠色細菌，綠色細菌分為綠硫細菌和綠色非硫細菌（綠色絲狀菌）。光合細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極為多樣，主要有球狀、桿狀、螺旋狀和卵圓狀。

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

3 光合細菌在環保新能源領域的應用

光合細菌在自然界的物質循環中占有及其重要的地位，參與到碳循環、硫循環、氮循環以及氫氣的產生等生物反應中。在當今社會中，光合細菌以其獨特的生理特性，在水體凈化、水產養殖、治理污水、開發生物能源等具有現實意義的項目中顯示出越來越重要的應用價值。光合細菌可降解有機物轉化太陽能為氫能，且具有產氫不放氧、產氫效率高、產氫純度高，對太陽光譜有寬的響應范圍等優點，而且還可以將光合細菌與其他微生物形成共同體系，增加產氫量，延長產氫時間，提高產氫效率。

光合產氫的典型代表是紫色非硫細菌，這類菌可利用各種有機物作碳源和光合作用供氫體，主要營光能異養生活?？赏舅?、碳水化合物及芳香族化合物等多種有機物；對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，少數可厭氧生長（發酵糖或丙酮酸），但生長微弱。菌體呈球形、卵圓形、桿狀或螺旋狀，不能氧化硫化物，大部分單個存在，僅有紅微菌的菌體細胞間有細絲連接，形成鏈狀絲狀體。細胞大小通常為0.6～10μm。在紫色非硫細菌中，除紅微菌及紅色假單胞菌中極少數以芽殖方式繁殖外，其他種均以二分分裂繁殖。紅微菌是以細胞產生細絲，在細胞細絲的末端形成球形芽，成熟后與細絲分離即形成子代細胞。

4 紫色非硫細菌產氫的機理和進展

產氫是固氮光合細菌特有的一種性能。光合細菌固氮和產氫之所以密切相關，是因為這兩種過程皆由同一種酶—固氮酶催化。產氫是固氮酶固有的一種能力。在固氮條件下生長的光合細菌總是釋放氫氣。當氮氣饑餓時，產氫能力最強。

其中紫硫細菌和綠硫細菌皆在光照厭氧條件下，以還原態無機硫化物或H2作供氫體固氮并產氫。紫色非硫細菌在光照、嚴格厭氧條件下，在沒有N2或N2缺乏時，利用有機物產氫［2］。光合細菌在固氮過程中，NAD（P）H2提供e－和H＋在固氮酶并沒有完全用于還原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，光合細菌固氮和產氫同步進行。固氮光合細菌在氮氣饑餓時，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首先發現深紅紅螺菌以有機物為供氫體的光合產氫現象，以后越來越多的科學家致力于研究光合產氫，關于沼澤紅假單胞菌、膠質紅假單胞菌、莢膜紅假單胞菌、最細紅硫菌、酒色紅硫桃紅莢硫菌、沙氏外硫紅螺菌、萬尼氏紅微菌和球形紅假單胞菌等都有產氫的報道［3］。

近年來國內外也有很多科學家致力于研究光合細菌的產氫，對此的研究也已從對現象的認識角度轉向生物工藝技術的研究開發階段，其發展前景不容忽視。

［1］ 徐向陽，俞秀娥，鄭 平，等.固定化光合細菌利用有機物產氫的研究［J］.生物工程學報，1994，10（4）：362～368.

［2］ 安立超，高 謹，張勝田，等.紅色非硫細菌的生長特性研究［J］.環境污染治理技術與設備，2004，12（5）：35～37.

［3］ 徐向陽，鄭 平，俞秀娥，等.固定化光合細菌處理有機廢水過程產氫的研究——Ⅱ.紅假單胞菌菌株D利用有機物光產氫的特性［J］.太陽能學報，2003，10（14）：288～294.