安紅霞
(1.中國海洋大學(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)
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(huán)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(zhàn),因此生物制氫的研究便應(yīng)運而生。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、利于維持等特點在生物制氫研究方面顯示出獨有的魅力。
光合細(xì)菌(Photosynthetic bacteria簡稱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,許多菌種具有運動性,能運動的菌種,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動的菌種。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。一般來說,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,可以通過細(xì)菌細(xì)胞懸液的吸收光譜來鑒定菌種[1]。
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)今社會中,光合細(xì)菌以其獨特的生理特性,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)實意義的項目中顯示出越來越重要的應(yīng)用價值。光合細(xì)菌可降解有機物轉(zhuǎn)化太陽能為氫能,且具有產(chǎn)氫不放氧、產(chǎn)氫效率高、產(chǎn)氫純度高,對太陽光譜有寬的響應(yīng)范圍等優(yōu)點,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,延長產(chǎn)氫時間,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物作碳源和光合作用供氫體,主要營光能異養(yǎng)生活??赏舅帷⑻妓衔锛胺枷阕寤衔锏榷喾N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(shù)可厭氧生長(發(fā)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(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。
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),是因為這兩種過程皆由同一種酶—固氮酶催化。產(chǎn)氫是固氮酶固有的一種能力。在固氮條件下生長的光合細(xì)菌總是釋放氫氣。當(dāng)?shù)獨怵囸I時,產(chǎn)氫能力最強。
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)無機硫化物或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,在沒有N2或N2缺乏時,利用有機物產(chǎn)氫[2]。光合細(xì)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(xì)菌固氮和產(chǎn)氫同步進(jìn)行。固氮光合細(xì)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(fā)現(xiàn)深紅紅螺菌以有機物為供氫體的光合產(chǎn)氫現(xiàn)象,以后越來越多的科學(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、萬尼氏紅微菌和球形紅假單胞菌等都有產(chǎn)氫的報道[3]。
近年來國內(nèi)外也有很多科學(xué)家致力于研究光合細(xì)菌的產(chǎn)氫,對此的研究也已從對現(xiàn)象的認(rèn)識角度轉(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,俞秀娥,鄭 平,等.固定化光合細(xì)菌利用有機物產(chǎn)氫的研究[J].生物工程學(xué)報,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,鄭 平,俞秀娥,等.固定化光合細(xì)菌處理有機廢水過程產(chǎn)氫的研究——Ⅱ.紅假單胞菌菌株D利用有機物光產(chǎn)氫的特性[J].太陽能學(xué)報,2003,10(14):288~294.