藍細菌製氫研究進展（2）

藍細菌產氫的環境條件藍細菌產氫需要適宜的環境條件，包括光強、溫度、鹽度、氣相組成和培養基營養組成等。對於固氮酶介導的放氫，由於固氮酶活性比最優生長要求更高的飽和光強，適當提高光強往往可以增大產氫。對於異形胞藍細菌，由於吸氫酶可消耗固氮酶放出的氫，N₂是固氮酶放氫的競爭性抑製劑，O₂可導致可逆氫酶失活，並促進氧氫反應。藍細菌在空氣條件下放氫微弱，難以被檢測到，所以藍細菌放氫一般在氬氣環境中進行，或在空氣或氮氣中補充固氮酶和吸氫酶的氣體抑製劑（CO和C₂H₂）進行。另外，添加有機碳化合物往往可以促進放氫，外源氮源的存在則可抑製固氮酶合成和產氫。

固定化培養可以保護藍細菌細胞及其酶的活性，降低其因受環境條件幹擾而導致的失活，從而提高其產氫的速率和穩定性。藍細菌固定化培養最常用的載體包括瓊脂凝膠、藻酸鹽凝膠、聚氨酯泡沫和聚乙烯泡沫。Park等在一柱式光生物反應器中采用聚乙烯泡沫固定的A. azollae實現了連續6d產氫，Markov等利用中空纖維固定的A. variabilis實現了5個月連續產氫，產氫速率為0.02-0.2 ml H₂ mg 幹重^-1 h^-1。采用連續培養也可以提高藍細菌產氫的速率和穩定性，Lichtl等［13］采用恒化係統對N. flagelliforme進行連續培養，以利用其在對數生長期較高的固氮酶活性，結果在連續培養條件下產氫速率可達分批培養的4倍之多。

采用某些生理生化方法可以顯著促進藍細菌產氫。異形胞藍細菌的淨放氫是固氮酶放氫和吸氫酶耗氫的結果，提高固氮酶活性或抑製吸氫酶活性都有利於產氫的增加。含釩不含鉬的培養條件可以誘導某些藍細菌表達放氫效率更高的釩固氮酶，從而可以產生更大量的氫氣。Dawar等發現在培養基中提高鎂離子濃度和添加果糖，Nostoc sp. ARM 411異形胞頻率可以增大3倍，其固氮酶活性和產氫能力亦相應提高。藍細菌吸氫酶輔基中包含鎳，鎳是吸氫酶合成和具有催化活性的必需組成，采用鎳限製條件可以抑製吸氫酶活性，從而顯著促進產氫。另外，同步培養也可能成為促進藍細菌Synechococcus sp.產氫的途徑。

一些主要的有利於藍細菌產氫的策略見表2。

表2促進藍細菌產氫的策略

4菌株篩選和突變株構建

藍細菌具有廣泛多樣的生存環境和遺傳背景，考察不同生境來源的藍細菌可能分離獲得具有高產氫能力的菌株。不過，篩選高產菌株的研究還不多見。Howarth等比較了9株單細胞不固氮藍細菌的放氫和吸氫能力。Kumar等分離了11個屬20個種的固氮和不固氮藍細菌，考察了它們的生理特征和在不同條件下的產氫能力。結果發現，Nostoc屬和Anabaena屬各有1個種表現出依賴於光和固氮酶的好氧產氫能力。在Ar + 1% CO₂下培養時，所有檢測菌株均可產氫。3個屬（Plectonema、Oscillatoria和Spirulina）的藍細菌表現出依賴於甲基紫精即依賴於氫酶的產氫能力。

采用化學誘變或基因工程方法，使吸氫酶基因失活，可以使固氮酶放出的氫不被氧化回收，從而提高藍細菌氫的產率。Mikheeva等采用亞硝基胍誘變方法獲得兩株A. variabilis ATCC 29413氫代謝缺陷突變株PK84（吸氫酶和可逆氫酶缺陷）和PK17R（吸氫酶缺陷），它們的生長特征和異形胞頻率與野生型相同，但放氫速率顯著提高。在連續培養PK84和PK17R時，它們產氫的速率分別是野生型的4.3倍和1.4倍，並且在氮營養壓力條件下（當N₂由25%下降至5%時），其產氫速率分別達到167.60和59.18μmol H2 mg chl a^-1h^-1。Happe等構建的hupSL缺失的A. variabilis ATCC 29413吸氫酶缺陷株AVM13，在固氮條件下產氫速率顯著增大（68μmol H₂ mg chl a-1 h-1），比野生型高3倍。Lindberg等對缺少可逆氫酶的N. punctiforme ATCC 29133采用插入突變構建了hupL突變株，從而獲得一不具有任何氫酶的菌株NHM5。將NHM5在固氮條件下培養，可以觀察到其能夠在空氣條件下放氫（14μmol H₂ mg chl a^-1 h^-1），而野生型則不放氫。Masukawa等構建了3株Anabaena sp. PCC 7120的氫酶突變株，即吸氫酶缺陷株hupL、可逆氫酶缺陷株hoxH和雙重缺陷株hupL/hoxH，結果發現，hupL和hupL/hoxH突變株產氫量相當，最大產氫速率是野生型的4-7倍，hoxH突變株產氫量則比野生型低15%-33%。他們認為，是吸氫酶基因的破壞，而不是可逆氫酶基因的破壞，促進了Anabaena sp. PCC 7120氫的產生。藍細菌吸氫酶缺陷突變株的高產氫能力使它們在光生物反應器產氫的研究中獲得了應用，其產氫能力亦被進一步證實。

5藍細菌在光生物反應器中產氫

藍細菌產氫在光生物反應器中的放大是其走向應用的必經環節。簡易高效的光生物反應器的設計是藍細菌產氫研究的一個重要方麵，光生物反應器產氫特征的研究將為藍細菌大規模產氫提供依據。關於藍細菌在光生物反應器中產氫已進行了一些很有意義的探索性研究。藍細菌產氫光生物反應器主要采用管式光生物反應器，另有采用柱式等光生物反應器的報道。反應器培養采用的菌株主要是少數Anabaena屬藍細菌，尤其是A. variabilis及其吸氫酶缺陷突變株PK84。

Tsygankov等采用10 mm內徑的聚氯乙烯管製成一實驗室規模的4.35 L螺旋狀管式光生物反應器，此反應器具備較大的表麵積/體積比（200 m^-1）以及良好的生化和環境參數的計算機控製係統，模型實驗證明了反應器高速率產氫的可能性。Tsygankov等考察了A. variabilis ATCC 29413及其吸氫酶缺陷突變株PK84在上述管式光生物反應器中分批培養時產氫的特征。Borodin等研究了在此光生物反應器中，在12 h光照（36 ℃）和12 h黑暗（14-30℃）交替進行模擬戶外自然條件的情況下，利用A. variabilis PK84產氫的特征，結果PK84在2.5個月連續培養過程中可以穩定產氫，對應於細胞密度3.6-4.6μg chl a ml^-1，最大產氫量為230 ml H₂ 12h光照^-1 PhBR^-1。

Fedorov等首次在完全戶外條件下在4.35L螺旋狀管式光生物反應器中培養A. variabilis PK84。分批培養時，最大產氫速率達到80 ml H₂ h^-1 PhBR^-1，反應器最大光能氫能轉化效率在陰天和晴天分別為0.33%和0.14%；連續培養時，產氫速率在36d實驗過程中可以維持在25-35 ml H₂ h-1 PhBR-1。Tsygankov等進一步研究了在戶外條件下A. variabilis PK84在4.35L光生物反應器中產氫的特征，連續培養時，氫的產量可達1.1LH₂ d^-1 PhBR^-1，最高光能氫能轉化效率可達到0.094%。他們發現，產氫速率和光能轉化效率主要依賴於溫度（在14-30 ℃範圍內）和光強，溫度提高可明顯促進氫的產生和光能轉化效率的提高，光強增大對產氫有促進作用，但對光能轉化效率有負的影響。這些結果證明了利用A. variabilis PK84在戶外自然條件下在光生物反應器中產氫的可能性。

另外，Lindblad等在1.9L計算機控製的管式光生物反應器中連續培養Anabaena PCC 7120及其吸氫缺陷突變株AMC414，結果表明，突變株產氫速率高於野生菌株，它們的最大產氫速率分別為45和20μmol H₂ mg chl a^-1h^-1，突變株在通空氣條件下仍可產氫，並且產氫速率隨光強增大而增大。他們在4.35L螺旋狀管式光生物反應器中在戶外條件下培養AMC414，AMC414表現出持續產氫能力，最大產氫為14.9ml H₂ l^-1h^-1,太陽能轉化為氫能的最大效率為0.042%。

6結論

利用藍細菌產氫是理想的生物製氫方式之一。藍細菌產氫取決於菌株的遺傳背景和產氫的環境條件。目前，藍細菌氫的產率和光能轉化效率尚未達到實際應用的要求，但已進行的研究工作為進一步提高藍細菌產氫的效率奠定了基礎。藍細菌產氫的主要障礙在於：產氫的酶受氧的抑製，產生的氫被吸氫酶消耗，以及氫的產率較低。固氮酶放氫的效率因酶本身的低周轉率、高ATP需求和對氧的敏感性而受到嚴重的影響。另外，籃細菌細胞因適應低光強條件而具有的較高的色素含量，使其在高光強下光合作用效率降低，產氫效率亦降低。提高藍細菌產氫效率需要在藍細菌遺傳、生理和培養等方麵進行深入的研究，這包括分離和研究更多新的藍細菌，如采用時間分離策略進行光合和固氮的藍細菌、共生固氮的藍細菌以及具有異養能力的藍細菌等，以獲得具有更高固氮酶或放氫氫酶活性的藍細菌菌株；對藍細菌進行基因工程改造，如使吸氫酶失活、使固氮酶和放氫氫酶對氧穩定和高水平表達、降低細胞色素含量等；以及對產氫培養條件進行優化，包括某些生理調節方式的采用和適宜的光生物反應器的設計。值得注意的是，藍細菌可逆氫酶在進行催化作用時僅需要較少的代謝能量，在理論上具有比固氮酶更強的放氫能力，藍細菌可逆氫酶的放氫能力值得深入研究和利用。可以期望，隨著對可再生清潔能源的關注，藍細菌製氫研究將取得迅速進步。

參考文獻：略

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