[发明专利]产氢工程菌及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及产氢工程菌及其应用。

背景技术

十八世纪世界工业革命以来建立的化石能源体系如今正面临着两大挑战：1)化石能源储量日益减小，面临着枯竭的危险；2)化石燃料的燃烧产生了大量污染物质，特别是CO₂等温室气体的排放引起的温室效应，给人类赖以生存的环境带来巨大的威胁。因此，开发可持续发展的可再生清洁能源，逐步替代化石能源是关系国家能源安全、环境安全及社会稳定和平发展的重要战略课题。

氢能作为极具潜力的未来替代清洁能源之一，是高效的能源载体，具有能量密度高、清洁、可再生、燃烧产物为水和无污染等特点，是十分理想的可再生能源。目前，氢气主要来自化石燃料的重整转化(占氢气来源的96％)和电解水制氢(占4％)，未能摆脱对原有的化石能源的依赖。因此，如何利用可再生资源持续地获取氢气受到人们的广泛的关注。生物制氢是解决这一问题的重要途径之一。生物制氢具有常温常压反应、条件温和、对环境友好、可利用废弃生物物质为底物等优点，可以和环境污染治理、减少污染排放相联系，是十分理想的制氢方法。

现代生物制氢的研究始于20世纪70年代的能源危机，90年代以来，随着人们对温室效应的进一步认识，生物制氢作为可持续发展的制氢方法更加引起了人们的广泛重视。生物制氢技术包括光驱动过程和厌氧发酵两种路线。前者利用光合细菌或藻类直接将太阳能转化为氢气，是一个非常理想的过程，但是由于光利用效率很低，光反应器设计困难等因素，近期内很难推向应用。后者采用的是产氢菌厌氧发酵，它的优点是产氢速度快、反应器设计简单、且能够和废弃生物的利用相结合，相对于前者更容易在近期内实现工业应用。

发酵法制氢始于六十年代中期，九十年代受到重视，但进展并不大。九十年代末到本世纪初，人们意识到发酵制氢更容易在近期内实现产业化，大大增加了暗发酵制氢方面的科研投入，产生了一批有关培养工艺的基础性研究结果。近年来与废弃生物质处理相结合的制氢过程的研究大为增加，其中一些达到了中试水平，但主要集中在反应器类型设计、工艺研究上，且混合培养产氢效率低于纯培养，总的转化率都不高，这也正是发酵制氢的瓶颈所在。解决发酵制氢瓶颈的关键，是实现技术突破，提高氢气得率。研究表明，仅从工艺的角度，无法从根本上突破产氢效率低的问题，必须注重高效产氢菌种的研究与开发。

多年以来，暗发酵制氢中应用的产氢菌种主要包括肠杆菌属(Enterobacter)、梭菌属(Clostridium)、埃希氏菌属(Escherichia)和芽孢杆菌属(Bacillus)，其中尤以肠杆菌属和梭菌属的相关研究最多。梭菌属产氢率最高可达到2.36mol/mol葡萄糖，产气肠杆菌属产氢率最高可达3mol/mol葡萄糖(即6mol/mol蔗糖)[Kumar，N.and Das，D.Bioprocess Engineering 23，205-208(2000)]，[Kumar，N.andDas，D.Process Biochemistry 35，589-593(2000)]。以梭菌(Clostridium sp)为代表的专性厌氧菌发酵产氢的机理为：葡萄糖酵解后生成丙酮酸，在形成醋酸过程中，一部分电子通过铁氧还蛋白在氢酶作用下形成氢气。一摩尔的葡萄糖可形成4摩尔氢气和2分子醋酸。因此，专性厌氧菌发酵产氢的同时，必然伴随醋酸等有机酸的形成。兼性厌氧产氢菌E.aerogenes通过糖解途径和三羧酸循环(TCA)途径产生NADH和ATP，氢酶通过NADH将质子转换为氢气，产氢理论转换率为1摩尔葡萄糖形成12mol氢气，远远大于专性厌氧菌的氢得率。因此，E.aerogenes是开发高效发酵制氢工艺的重要菌种。

随着生物技术的飞速发展，单纯的菌种筛选和培养工艺的优化已不能满足提高产氢效率的需求。发酵制氢的研究需要进入细胞内部，通过对氢酶及其代谢网络的改造来强化产氢过程。目前在基因库上已经可以获得超过100种的氢酶基因序列[Paulette M.Vignais，Bernard Billoud，Jacques Meyer.FEMS MicrobiologyReviews 25，455-501(2001)]，但仍有大量已知产氢菌株的氢酶基因尚未被克隆，寻找更多的氢酶基因是生物制氢研究的重要方向[Kalia，V.C.，Lal，S.，Ghai，R.，Mandal，M.and Chauhan，A.Trends in Biotechnology 21，152-156(2003)]。不同的氢酶具有不同的功能，和其它酶系相比，人们对氢酶的认识还十分有限。