[发明专利]一种利用光合细菌生产氢气的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及生物能源领域，更具体地，本发明涉及利用一种光合细 菌生产氢气的方法。

【背景技术】

能源是人类生存和发展的重要物质基础。进入21世纪以来，随着我 国工业化和城市化步伐加快，能源需求出现了前所未有的高增长态势， 能源和环境问题已成为更多关注的焦点。实现可持续性发展，满足未来 能源的需求，需要进行能源结构优化和多元化发展。可再生清洁能源的 加快发展，有助于实现能源可持续发展和加强环境保护。

氢能被誉为最具有开发潜力的新型能源之一，其燃烧热值高，燃烧后无 环境污染，是环境友好型的清洁能源。目前，成熟的制氢方式有电解水 制氢和化石能源重整制氢，此类制氢方式依赖化石能源，不具有可持续 发展性。利用光合细菌光合作用生物制氢具有反应温和、产氢速度快、 产氢纯度高、能量利用率高的特点，并且还能将产氢与光能利用、有机 物去除有机地耦合在一起，因此得到了越来越受到人们的重视。在光合 细菌中，固氮酶是光合放氢的关键酶，黑暗条件可使固氮酶迅速失活， 而氢酶会吸收固氮酶产生的氢气，重新供给固氮酶能量，不利于氢气的 积累。本发明作者曾构建固氮酶失活酶(draT)和吸氢酶(hupL)基因双 缺失深红红螺菌工程菌株，以期使光合细菌在昼夜更替条件下持续高效 的产氢，但由于受到昼夜更替的黑暗阶段能量水平的限制，产氢效率依 然较低(ZHU Ruiyan，et al.Hydrogen production by draTGBhupL double mutant of Rhodospirillum rubrum under different light conditions.Chinese Science Bulletin.2006，51：2611-2618)。目前，对光合产氢的报道大部分集 中于绿藻。光合产氢工艺优化成功的例子之一是美国加州大学伯克利分 校Melis教授突破性地发现硫元素的缺乏可选择性地抑制绿藻的光合放 氧，但是不会影响绿藻的呼吸作用强度，如此光合强度和呼吸强度之间 的不平衡导致了体系中氧气的消耗速率大于产生速率，从而能达到氢酶 基因诱导表达的无氧状态，此种方法在时间上将光合产氢与光合产氧分 开，因此称为“两步光合放氢法”。其中：第一步为绿藻进行光合作用， 固定二氧化碳，释放氧气并获得生物量；第二步为在缺硫厌氧环境中以 诱导氢酶的高效表达，绿藻可以以每小时1.7ml/L(即每毫克叶绿素积累 产氢5-7ml)的速度连续产氢70h，氢气总产量可达到120ml/L，尽管进 行了工艺优化，此方法的放氢效率依然较低，每毫克叶绿素积累产氢5-7 ml(Melis A，et al，Sustained photobiological hydrogen gas production upon reversible incativation of oxygen evolution in the green alga Chlamydomonas reinhardtti.Plant Physiol.2000，122(1)：127-136)。此外还有对此种方法的一 些改进，产氢效率提高了1.5倍，每毫克叶绿素积累产氢7.5-11.8ml(CN 200510011297.2)。但是，光质对光合细菌产氢影响的报道较少。 Laurinavichene等研究发现绿藻产氢的最适光照强度为30-40Em^-2s-1，最 适光照强度并不依赖色素的多少。Basar Uyara研究了光波长对 Rhodobacter sphaeroides O.U.001产氢的影响，发现分别滤过>760nm和 <630nm的光会使Rhodobacter sphaeroides光合氢产量从1.2L/L culture降 低到0.6L/L culture和1.1L/L culture，表明滤光培养后光合细菌的氢产量 会有不同程度的下降(Basar Uyara，et al.Effect of light intensity， wavelength and illumination protocol on hydrogen production in photobioreactors.Int J Hydrogen Energy.2007，4670-4677)。