關于光合細菌產環保新能源的研究進展綜述

黃春雷

摘 要：現階段我國社會發展過程中社會居民環保意識不斷增強及現有資源緊張趨勢愈演愈烈，使開發與應用環保新能源成為社會各領域關注的主要問題，氫作為一種清潔高效能源開始受到新能源領域的重視，光合細菌可以通過降解有機物來轉化太陽能，并且其具有產氫不放氧、產氫效率高以及產氫純度高等特點，并且對進一步提高產氫量及產氫時間有重要的作用。文章就關于光合細菌產環保新能源的研究進展進行綜述。

關鍵詞：光合細菌；新能源；環保；研究綜述

中圖分類號：Q939.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）17-0177-02

現階段，世界上的石油、天然氣以及煤炭等化石燃料開始面臨枯竭態勢，并且社會能源領域在該階段開始面臨能源需求不斷增加的情況，社會各領域在巨大的能源壓力下將開發與應用新能源，作為推動社會各領域實現可持續發展戰略的前提條件，在這種時代大背景下，生物制氫的研究開始進入一個新的發展階段。就微生物來說，有多種厭氧菌、兼性厭氧菌、好氧菌以及光合細菌等都可以產氫，但是就這些微生物來說，只有光合細菌產氫量大，并且其具有便捷、高效、利于維持等一系列特點，所以光合細菌產氫開始受到新能源領域的廣泛關注，如何將光合細菌廣泛應用于新能源開發過程是其面對的主要問題。

1 光合細菌的分類

光合細菌（Photosynthetic bacteria，簡稱PSB）是水圈微生物中的一種，并且光合細菌是地球上最早出現的具有光能合成系統的一種細菌，其一般都生存于水的厭氧層中，在土壤、淡水、海水以及溫度極高的溫泉中都是光合細菌的分布場所，尤其是富含有機物的水域中含有大量的光合細菌。現階段，世界上已知的光合細菌共有50多種，光合細菌在本質上屬于原核生物界細菌門真細菌綱的紅螺菌目，紫色細菌一般又可以分為紫硫細菌、紫色非硫細菌等，綠菌亞目主要以綠硫細菌和綠色非硫細菌為主，就光合細菌來說其是一種十分特殊的原核生物，屬于革蘭氏陰性菌的類目，所以光合細菌具有形態多樣這一特征，最為常見的光合細菌主要以球狀、桿狀、螺旋狀以及卵圓狀等形態為主。光合細菌中的很多菌種都具備運動性，能夠運動的細菌中主要是以極生菌毛、周生鞭毛以及滑行方式運動的菌種，光合細菌在組成上含有類胡蘿卜素、細菌葉綠素、細胞色素、泛醌以及非血紅素鐵蛋白等，其非血紅素鐵蛋白主要是以鐵氧化還原型的非血紅素鐵蛋白為主。光合細菌受到自身數量和菌種不同的影響，使其在生長過程中會呈現出不同的顏色，每種光合細菌的顏色在特定培養條件下均可以呈現出不同的特征，新能源領域在研究過程中主要是利用光合細菌吸收廣譜來對其菌種進行鑒定。

2 光合細菌產環保新能源的具體應用

2.1 高效產氫光合細菌的篩選與分離

光合細菌產環保新能源在具體應用過程中，首先要對其菌種進行篩選與分離，這也是光合細菌產氫研究過程中前提條件，雖然對于光合細菌對產氫條件要求方面比厭氧菌具備更大優勢，但是只有將優勢高的光合細菌產氫菌株從中篩選出來，才能確保光合細菌產氫的效率和產氫量可以滿足其具體實踐要求。光合細菌的產氫菌株可以從自然界、人工環境中進行篩選，并且可以利用基因工程技術和人工誘變技術來獲取產氫菌株，尤希鳳等人在關于光合細菌產氫菌株篩選與分離研究中，分別從養殖場、食品廠的廢水中分離出了多株可以高校產氫的光合細菌，并且其所分離出的光合細菌可以從豬糞污水中產氫。Eui Jin等人在研究過程中利用遺傳技術來獲得了缺失B850-800復合物的變異光合細菌，該種光合細菌與自然界中產生的光合細菌在生長方面沒有過大的區別，但是就缺失B850-800復合物的變異光合細菌來說其具備更強的產氫能力，其試驗結果證明該種變異光合細菌的產氫量可以達到普通光合細菌的2倍以上。

2.2 產氫關鍵酶的改造

光合細菌產氫在本質上是細胞物質代謝和細胞能量代謝的一個綜合過程，并且光合細菌產氫的過程是高度復雜的，光合細菌可以通過多種途徑來進行代謝，氫的物質代謝和能量代謝過程中會有多種酶參與到這個活動中，氫酶和固氮酶是光合細菌產氫過程中最為重要的兩種關鍵酶，在當前科技條件下，可以利用人工誘變和遺傳工程技術來對產氫關鍵酶進行過改造，通過構建氫酶缺失或是固氮酶高倍表達的高效產氫光合細菌菌株，這對進一步提高光合細菌產氫效率和產氫量有著重要作用。Kern等人在研究中獲得了吸氫酶缺失菌株，在50mmol/L乳酸鹽和7 mmol/L谷氨酸鈉作為底物的時候，吸氫酶缺失的光合細菌的產氫轉化效率可以提升30%左右。Yoshino等人在研究中通過插入干擾基因構建出了一種吸氫酶缺失的變異光合細菌菌株，通過試驗證明該種變異光合細菌在產氫量可以達到常規光合細菌的3倍以上。部分學者利用遺傳技術手段構建出了一種耐氧性的產氫酶，這種產氫酶的具體應用對提高光合細菌對不利環境條件的承受能力有著重要的作用，利用基因手段對光合細菌中產氫過程中的關鍵酶進行調控，并且利用代謝工程手段對光合細菌產氫過程中的代謝過程進行適當調節，這些措施都可以有效提高光合細菌的產氫量和產氫效率，但是就這一方面的研究來說，在新能源領域依舊處于起步階段。

2.3 光合系統的改造

光合細菌產氫過程中需要以光照作為主要條件，而在這個過程中其產氫所需要的ATP都是由光合磷酸化合成的，并且光照的形式與光照強度會對光合細菌的產氫效率、產氫量有著直接影響，同時對于光合反應器的研制來說也具有十分重要的意義。國內外在當前使用光合細菌產氫過程中均是以人工光源為主，使用人工光源具有能耗大、效率差等問題，如果光合細菌產氫過程中使用過于分散的太陽光源，則無法通過光合細菌產氫技術來實現規模化制氫的要求，因此，利用遺傳技術來對光合細菌的光合細菌進行改造，使其可以形成突變的菌株，在光合細菌生長過程中有效降低其對光的依賴，這種對光合細菌進行改造的光合細菌培養技術已成為當前該領域研究的重點內容。Melis在研究中發現通過減少綠藻中的葉綠素含量，對提高綠藻自身的光合效率有著十分明顯的作用，并且當前已經有研究證明了通過對光合系統的改造，可以有效降低光合細菌產氫過程中對于強光的需求，通過選用這種光合細菌對提高產氫效率及產氫量有著重要作用，是未來光合細菌產氫領域研究過程中的一個重點方向。

2.4 多菌種混合產氫

雖然光合細菌的部分單菌種在產氫過程中具有很多的應用優勢，但是就系能源領域來說很難依靠一種菌來實現規模化制氫，因此，多菌種混合產氫是當前關于光合細菌產環保新能源研究領域的重點，同時也是新能源領域在未來很長一段時間的主要研究方向。多菌種混合產氫在具體應用中對提高產氫效率和產氫量有著重要作用，張立宏在研究中指出多菌種比純菌種的光合細菌具有更大優勢，其主要體現在多菌種的光合細菌產氫效率、產氫量方面遠遠高于純菌種的光合細菌產氫。劉穎等人在研究過程中發現光合細菌和厭氧菌可以聯合進行產氫，利用光合細菌發酵和厭氧菌暗發酵的方式對提高產氫效率有著重要作用，并且在該種模式下底物的總體利用率也可以大大提升，由于光合細菌和厭氧細菌在產氫過程中均是以厭氧產氫為主，所以如果將兩種細菌放在同一反應器中進行混合培養，對進一步發揮兩種細菌的產氫優勢有著十分重要的作用。

3 結 語

綜上所述，近年來國內外很多科學家軍隊光合細菌產環保新能源進行了深入研究，并且就學術界已有的報道來說，其已經進入一個高度繁榮的階段，以生物工藝技術研究作為主要內容是當前該領域的主要方向，且光合細菌產環保新能源的發展前景十分被看好。

參考文獻：

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