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利用氧電極測(cè)定光合細(xì)菌在特殊條件下的產(chǎn)氫量

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氫氣作為一種無(wú)碳的清潔能源，具有發(fā)熱值高、能量轉(zhuǎn)化效率高和燃料產(chǎn)物清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種極有潛力的化石燃料替代能源。生物制氫方式通過(guò)完整的細(xì)胞催化有機(jī)物或水裂解生成氫氣，降低了反應(yīng)的活化能，無(wú)需苛刻的反應(yīng)條件，使制氫過(guò)程變得簡(jiǎn)單易行，但是由于受到原料成本和制氫效率的限制，目前其生產(chǎn)成本仍然較高。

到目前為止，已報(bào)道的能進(jìn)行生物產(chǎn)氫的生物有5種，分別是異養(yǎng)型厭氧細(xì)菌、固氮菌、厭氧光合營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌、真核藻類和藍(lán)細(xì)菌。根據(jù)生物種類、是否需要光照以及底物的不同等方面分為兩個(gè)大的類別：發(fā)酵制氫和光水解制氫。

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其中發(fā)酵制氫分為暗發(fā)酵制氫和光發(fā)酵制氫，光解水制氫可以分為綠藻光合制氫和藍(lán)藻光解水制氫。紫色非硫細(xì)菌是一類光能自養(yǎng)型細(xì)菌，多分布在淡水、海水和高鹽等含有可溶性有機(jī)物和低氧壓的水生環(huán)境中，也常見(jiàn)于潮濕的土壤和水稻田中。

英國(guó)Hansatech生產(chǎn)的Clark液相氧電極是一款測(cè)定溶液中氧氣含量的經(jīng)典儀器。經(jīng)過(guò)特殊的電鍍可以改變電極的陰極和陽(yáng)極進(jìn)行其他氣體的測(cè)定，包括氫氣、一氧化氮等。

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近期，Medhat Elbadry課題組于International journal of hydrogen energy雜志發(fā)表了題為"Photoheterotrophic growth of purple non-sulfur bacteria on Tris Acetate Phosphate Yeast extract (TAPY) medium and its hydrogen productivity in light under nitrogen deprivation"的研究論文。

報(bào)道了紫色非硫細(xì)菌（PNSB）在磷酸三乙酯酵母抽提物（TAPY）培養(yǎng)基上進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)和使用Clark氧電極（Hansatech，英國(guó)）測(cè)定其在不同條件下的產(chǎn)氫量。

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圖注：在供氮培養(yǎng)基TAPY中培養(yǎng)R. rubrum DSM 467 (A), R. sphaeroides DSM 5864 (B) 和 R. capsulatus JCM-21090 (C)的生長(zhǎng)狀況。

研究發(fā)現(xiàn)，在缺氮條件下，與黑暗生長(zhǎng)相比，PNSB在照光條件下生長(zhǎng)更快產(chǎn)氫更多。在無(wú)氮條件下紫色非硫細(xì)菌R.sphaeroides DSM 5864（以下簡(jiǎn)稱DSM 5864）發(fā)酵20h后開(kāi)始產(chǎn)氫，78h達(dá)到最大積累量，發(fā)酵42h后達(dá)到最大產(chǎn)氫速率0.669mmol H2 h-1 L-1。由于在缺氮條件下能夠產(chǎn)生氫氣，而在充氮培養(yǎng)基上不產(chǎn)生氫氣，說(shuō)明固氮酶是負(fù)責(zé)制氫的酶。

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圖注：在光照條件下，無(wú)氮TAPY培養(yǎng)基中，R.sphaeroides DSM 5864的累積產(chǎn)氫量（●）和產(chǎn)氫速率（○）。

在無(wú)氮TAPY培養(yǎng)基上，DSM 5864在黑暗中無(wú)法產(chǎn)生的氫氣，表明光對(duì)產(chǎn)氫過(guò)程是必要的。由于氫只在缺氮和光照條件下產(chǎn)生，因此，DSM 5864中的固氮酶活性需要光來(lái)驅(qū)動(dòng)電子傳遞，從而產(chǎn)生固氮酶所必需的ATP。
DSM 5864可能存在光合和厭氧呼吸電子傳遞的相互作用，這需要光和有機(jī)碳源（乙酸）來(lái)激發(fā)固氮酶的產(chǎn)氫活性。因此，無(wú)氮、光照和乙酸是固氮酶產(chǎn)生氫氣所必需的。

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圖注：在光照和黑暗條件下，無(wú)氮TAPY培養(yǎng)基中，R.sphaeroides DSM 5864的累積產(chǎn)氫量。光照（●），黑暗（○）

為了研究無(wú)氮TAPY培養(yǎng)基上重復(fù)分批產(chǎn)氫的效果，采用同種菌株發(fā)酵進(jìn)行了3輪以上的產(chǎn)氫試驗(yàn)。在每一循環(huán)的制氫對(duì)數(shù)階段結(jié)束時(shí)，通過(guò)在介質(zhì)中添加醋酸鈉，可在三個(gè)循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的重復(fù)間歇制氫。在第2、3輪分批發(fā)酵中的效率分別為94.9%和90.6%。與第一輪相比，第四輪的效率下降了59.2%，第四輪的低效率可能是由于細(xì)菌的活力的降低。因此，通過(guò)連續(xù)添加醋酸鈉可實(shí)現(xiàn)三個(gè)循環(huán)的高效重復(fù)批量制氫。

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圖注：光照條件下，無(wú)氮TAPY培養(yǎng)基上R.sphaeroides DSM 5864在重復(fù)間歇累積產(chǎn)氫量。第1次（●）；第2次（◆）；第3次（▲）和第4次（■）循環(huán)的分批發(fā)酵。在每一輪試驗(yàn)后，按照材料和方法中的描述留下復(fù)制瓶，不添加醋酸鈉作為對(duì)照。

生物制氫在可持續(xù)的氫經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要作用，在未來(lái)的生物工業(yè)中，可以利用廉價(jià)的有機(jī)廢物，通過(guò)暗發(fā)酵和光發(fā)酵產(chǎn)生氫氣。PNSB光發(fā)酵制氫在利用光照和各種有機(jī)廢棄物方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。
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