關(guān)于光合細(xì)菌產(chǎn)環(huán)保新能源的研究進(jìn)展綜述

黃春雷

摘 要：現(xiàn)階段我國社會(huì)發(fā)展過程中社會(huì)居民環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)及現(xiàn)有資源緊張趨勢(shì)愈演愈烈，使開發(fā)與應(yīng)用環(huán)保新能源成為社會(huì)各領(lǐng)域關(guān)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(lǐng)域的重視，光合細(xì)菌可以通過降解有機(jī)物來轉(zhuǎn)化太陽能，并且其具有產(chǎn)氫不放氧、產(chǎn)氫效率高以及產(chǎn)氫純度高等特點(diǎn)，并且對(duì)進(jìn)一步提高產(chǎn)氫量及產(chǎn)氫時(shí)間有重要的作用。文章就關(guān)于光合細(xì)菌產(chǎn)環(huán)保新能源的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：光合細(xì)菌；新能源；環(huán)保；研究綜述

中圖分類號(hào)：Q939.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）17-0177-02

現(xiàn)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(tài)勢(shì)，并且社會(huì)能源領(lǐng)域在該階段開始面臨能源需求不斷增加的情況，社會(huì)各領(lǐng)域在巨大的能源壓力下將開發(fā)與應(yīng)用新能源，作為推動(dòng)社會(huì)各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的前提條件，在這種時(shí)代大背景下，生物制氫的研究開始進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)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(xì)菌等都可以產(chǎn)氫，但是就這些微生物來說，只有光合細(xì)菌產(chǎn)氫量大，并且其具有便捷、高效、利于維持等一系列特點(diǎn)，所以光合細(xì)菌產(chǎn)氫開始受到新能源領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，如何將光合細(xì)菌廣泛應(yīng)用于新能源開發(fā)過程是其面對(duì)的主要問題。

1 光合細(xì)菌的分類

光合細(xì)菌（Photosynthetic bacteria，簡稱PSB）是水圈微生物中的一種，并且光合細(xì)菌是地球上最早出現(xiàn)的具有光能合成系統(tǒng)的一種細(xì)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(xì)菌的分布場所，尤其是富含有機(jī)物的水域中含有大量的光合細(xì)菌?，F(xiàn)階段，世界上已知的光合細(xì)菌共有50多種，光合細(xì)菌在本質(zhì)上屬于原核生物界細(xì)菌門真細(xì)菌綱的紅螺菌目，紫色細(xì)菌一般又可以分為紫硫細(xì)菌、紫色非硫細(xì)菌等，綠菌亞目主要以綠硫細(xì)菌和綠色非硫細(xì)菌為主，就光合細(xì)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(xì)菌具有形態(tài)多樣這一特征，最為常見的光合細(xì)菌主要以球狀、桿狀、螺旋狀以及卵圓狀等形態(tài)為主。光合細(xì)菌中的很多菌種都具備運(yùn)動(dòng)性，能夠運(yùn)動(dòng)的細(xì)菌中主要是以極生菌毛、周生鞭毛以及滑行方式運(yùn)動(dòng)的菌種，光合細(xì)菌在組成上含有類胡蘿卜素、細(xì)菌葉綠素、細(xì)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(xì)菌受到自身數(shù)量和菌種不同的影響，使其在生長過程中會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色，每種光合細(xì)菌的顏色在特定培養(yǎng)條件下均可以呈現(xiàn)出不同的特征，新能源領(lǐng)域在研究過程中主要是利用光合細(xì)菌吸收廣譜來對(duì)其菌種進(jìn)行鑒定。

2 光合細(xì)菌產(chǎn)環(huán)保新能源的具體應(yīng)用

2.1 高效產(chǎn)氫光合細(xì)菌的篩選與分離

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

2.2 產(chǎn)氫關(guān)鍵酶的改造

光合細(xì)菌產(chǎn)氫在本質(zhì)上是細(xì)胞物質(zhì)代謝和細(xì)胞能量代謝的一個(gè)綜合過程，并且光合細(xì)菌產(chǎn)氫的過程是高度復(fù)雜的，光合細(xì)菌可以通過多種途徑來進(jìn)行代謝，氫的物質(zhì)代謝和能量代謝過程中會(huì)有多種酶參與到這個(gè)活動(dòng)中，氫酶和固氮酶是光合細(xì)菌產(chǎn)氫過程中最為重要的兩種關(guān)鍵酶，在當(dāng)前科技條件下，可以利用人工誘變和遺傳工程技術(shù)來對(duì)產(chǎn)氫關(guān)鍵酶進(jìn)行過改造，通過構(gòu)建氫酶缺失或是固氮酶高倍表達(dá)的高效產(chǎn)氫光合細(xì)菌菌株，這對(duì)進(jìn)一步提高光合細(xì)菌產(chǎn)氫效率和產(chǎn)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(shí)候，吸氫酶缺失的光合細(xì)菌的產(chǎn)氫轉(zhuǎn)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(gòu)建出了一種吸氫酶缺失的變異光合細(xì)菌菌株，通過試驗(yàn)證明該種變異光合細(xì)菌在產(chǎn)氫量可以達(dá)到常規(guī)光合細(xì)菌的3倍以上。部分學(xué)者利用遺傳技術(shù)手段構(gòu)建出了一種耐氧性的產(chǎn)氫酶，這種產(chǎn)氫酶的具體應(yīng)用對(duì)提高光合細(xì)菌對(duì)不利環(huán)境條件的承受能力有著重要的作用，利用基因手段對(duì)光合細(xì)菌中產(chǎn)氫過程中的關(guān)鍵酶進(jìn)行調(diào)控，并且利用代謝工程手段對(duì)光合細(xì)菌產(chǎn)氫過程中的代謝過程進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，這些措施都可以有效提高光合細(xì)菌的產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫效率，但是就這一方面的研究來說，在新能源領(lǐng)域依舊處于起步階段。

2.3 光合系統(tǒng)的改造

光合細(xì)菌產(chǎn)氫過程中需要以光照作為主要條件，而在這個(gè)過程中其產(chǎn)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(qiáng)度會(huì)對(duì)光合細(xì)菌的產(chǎn)氫效率、產(chǎn)氫量有著直接影響，同時(shí)對(duì)于光合反應(yīng)器的研制來說也具有十分重要的意義。國內(nèi)外在當(dāng)前使用光合細(xì)菌產(chǎn)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(xì)菌產(chǎn)氫過程中使用過于分散的太陽光源，則無法通過光合細(xì)菌產(chǎn)氫技術(shù)來實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茪涞囊螅虼?，利用遺傳技術(shù)來對(duì)光合細(xì)菌的光合細(xì)菌進(jìn)行改造，使其可以形成突變的菌株，在光合細(xì)菌生長過程中有效降低其對(duì)光的依賴，這種對(duì)光合細(xì)菌進(jìn)行改造的光合細(xì)菌培養(yǎng)技術(shù)已成為當(dāng)前該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容。Melis在研究中發(fā)現(xiàn)通過減少綠藻中的葉綠素含量，對(duì)提高綠藻自身的光合效率有著十分明顯的作用，并且當(dāng)前已經(jīng)有研究證明了通過對(duì)光合系統(tǒng)的改造，可以有效降低光合細(xì)菌產(chǎn)氫過程中對(duì)于強(qiáng)光的需求，通過選用這種光合細(xì)菌對(duì)提高產(chǎn)氫效率及產(chǎn)氫量有著重要作用，是未來光合細(xì)菌產(chǎn)氫領(lǐng)域研究過程中的一個(gè)重點(diǎn)方向。

2.4 多菌種混合產(chǎn)氫

雖然光合細(xì)菌的部分單菌種在產(chǎn)氫過程中具有很多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但是就系能源領(lǐng)域來說很難依靠一種菌來實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茪洌虼?，多菌種混合產(chǎn)氫是當(dāng)前關(guān)于光合細(xì)菌產(chǎn)環(huán)保新能源研究領(lǐng)域的重點(diǎn)，同時(shí)也是新能源領(lǐng)域在未來很長一段時(shí)間的主要研究方向。多菌種混合產(chǎn)氫在具體應(yīng)用中對(duì)提高產(chǎn)氫效率和產(chǎn)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(xì)菌具有更大優(yōu)勢(shì)，其主要體現(xiàn)在多菌種的光合細(xì)菌產(chǎn)氫效率、產(chǎn)氫量方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純菌種的光合細(xì)菌產(chǎn)氫。劉穎等人在研究過程中發(fā)現(xiàn)光合細(xì)菌和厭氧菌可以聯(lián)合進(jìn)行產(chǎn)氫，利用光合細(xì)菌發(fā)酵和厭氧菌暗發(fā)酵的方式對(duì)提高產(chǎn)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(xì)菌和厭氧細(xì)菌在產(chǎn)氫過程中均是以厭氧產(chǎn)氫為主，所以如果將兩種細(xì)菌放在同一反應(yīng)器中進(jìn)行混合培養(yǎng)，對(duì)進(jìn)一步發(fā)揮兩種細(xì)菌的產(chǎn)氫優(yōu)勢(shì)有著十分重要的作用。

3 結(jié) 語

綜上所述，近年來國內(nèi)外很多科學(xué)家軍隊(duì)光合細(xì)菌產(chǎn)環(huán)保新能源進(jìn)行了深入研究，并且就學(xué)術(shù)界已有的報(bào)道來說，其已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)高度繁榮的階段，以生物工藝技術(shù)研究作為主要內(nèi)容是當(dāng)前該領(lǐng)域的主要方向，且光合細(xì)菌產(chǎn)環(huán)保新能源的發(fā)展前景十分被看好。

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