微生物製氫

氫氣由於燃燒的產物為水而不產生任何環境汙染物，而且能量密度和熱轉換效率高，是一種十分理想的“綠色”載能體。製氫方法可分為理化性的和生物性的兩類。理化性的方法如將水電解為氫和氧，這必須消耗大量的電能，如獲得的氫氣作為能源，在經濟成本上難以接受。其它化學性方法也要消耗大量礦物資源，而且生產過程中產生大量汙染物汙染環境。生物性方法利用微生物生產氫氣具有前者方法所不可比擬的優點。

 

在生命活動中能形成分子氫的微生物有兩個主要類群：一是固氮微生物尤其是具有固氮作用的光合微生物，包括藻類和光合細菌在內。目前研究較多的主要有顫藻屬、深紅紅螺菌、球形紅假單胞菌、深紅紅假單胞菌、球形紅微菌、液泡外硫紅螺菌等等。二是嚴格厭氧和兼性厭氧的發酵性產氫細菌。如丁酸梭狀芽孢杆菌、拜氏梭狀芽孢杆菌、大腸埃希氏杆菌、產氣腸杆菌、褐球固氮菌等。

 

在具有固氮作用的微生物中，有 N 2 等底物存在時，固氮酶進行 N 2 的還原反應：

眾所周知，固氮酶在固氮過程中，有 25 ％甚至更多的電子流向質子形成氫，如果固氮酶並不是由 MoFe 蛋白而是由 VFe 蛋白或 FeFe 蛋白構成的，那流向質子的電子的比例分別可達 60 ％和 80 ％，也即有更多的氫氣生成。在無 N 2 等合適底物時，固氮酶將電子全部流向放氫反應：

具有固氮作用的光合微生物的產氫實際上是光合微生物將光合作用過程中獲取的光能轉換為 ATP 後， ATP 支持固氮酶的放氫，由 ATP 將光合作用與固氮酶的放氫兩個過程相連接。

 

發酵性細菌是另一類在代謝過程中可以產生分子氫的微生物。如糖解梭菌（ Clostridium saccharolyticum ）、巴斯德梭菌（ C.pasteurianum ）等，缺乏典型的色素係統和氧化磷酸化機製。在發酵單糖時可形成 H 2 ，一處是在葡萄糖酵解為丙酮酸過程中形成 NADH ， NADH 在 NADH ： Fd 氧化還原酶作用下，將電子還原氧化態的 Fd ，還原態的 Fd 在氫酶作用下形成 H 2 。另一處是丙酮酸在丙酮酸： Fd 氧化還原酶作用下脫羧過程中形成還原態的 Fd ，還原態的 Fd 與 H + 在氫酶作用下生成 H 2 。前一條途徑，是由於生物體必須保持一定的 NAD + 與 NADH 的比例和 NAD + 濃度來維持其正常的生命代謝。因此，細胞內如果 NADH 濃度達到了一定水平，必須將電子轉移給質子，使細胞內保持一定濃度的 NAD + ，盡管這個過程是一個需能反應，但當環境中氫氣濃度隨時釋放到足夠低濃度時，反應可向右進行。同時伴隨這個過程的有氫釋放。

許多腸道細菌如大腸杆菌 ( E.coli ) 等在代謝過程中也可產生氫氣。當其厭氧性生長於發酵性基質上時，氫酶起著氫閥的作用，通過氧化在發酵過程中的過剩還原力（ NADH 或 NADPH ）形成 H 2 來保證電子載體的循環和保持氧化還原平衡。酵解形成的丙酮酸在丙酮酸：甲酸裂解酶作用下，形成乙酰 -CoA 和甲酸，甲酸在厭氧和缺乏合適電子受體條件下，由甲酸氫解酶複合物裂解生成 CO 2 和 H 2 。