混合菌種生物技術(shù)（MCB）光合產(chǎn)氫的試驗研究.pdf

1、隨著能源的日益緊張以及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，作為清潔能源的氫能的研究逐漸受到重視。相對于傳統(tǒng)的制氫方法，生物產(chǎn)氫由于低能耗、高效率、無污染以及可再生等優(yōu)點而備受關(guān)注。其中光合生物產(chǎn)氫集太陽能利用、可再生資源利用、有機(jī)廢棄物處理以及產(chǎn)氫相聯(lián)合，將成為最有潛力的產(chǎn)氫技術(shù)。認(rèn)識光合微生物產(chǎn)氫的規(guī)律，能動地利用這些客觀規(guī)律指導(dǎo)能源工作，同時也是地球生態(tài)平衡、物質(zhì)循環(huán)極為重要的一個環(huán)節(jié)。 混合菌種是值得重視并需要加強(qiáng)研究和利用的微生物資源。

2、混合菌種多種類細(xì)菌間發(fā)生協(xié)同效應(yīng)，使代謝產(chǎn)物不易積累，相互創(chuàng)造有利的生存環(huán)境，使各菌種的代謝活性充分發(fā)揮，從而提高了混合菌種的產(chǎn)氫能力。混合菌種生物技術(shù)(MCB，mixed culture biotechnology)可以成為超越基于傳統(tǒng)單一純菌株生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)物或者/和生物能源的生物技術(shù)的一種新的選擇。與工業(yè)化生物技術(shù)的純菌株相對比，利用混合菌種生物技術(shù)(MCB)光合產(chǎn)氫具有以下優(yōu)點：不需要滅菌；由于微生物的多樣性具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力；對于

3、多種底物具有適應(yīng)能力以及持續(xù)生產(chǎn)過程的可能性。 本文對從沼氣池活性污泥富集培養(yǎng)出以多種光合細(xì)菌為主的混合菌種進(jìn)行了光合產(chǎn)氫的實驗研究，同時以純菌種沼澤紅假單胞菌Rh.PalustrisZO2作了相應(yīng)的對比試驗，并利用修正的Gompertz方程進(jìn)行產(chǎn)氫動力學(xué)分析。結(jié)果表明，混合菌種比純菌種的光合細(xì)菌表現(xiàn)出更好的產(chǎn)氫能力和更高的穩(wěn)定性。尤其在對蔗糖和可溶性淀粉的利用上，混合菌種對這兩種碳源的利用比較充分，產(chǎn)氫率分別為3.47molH

4、2/mol蔗糖和6.68mmolH2/g可溶性淀粉，氫氣含量分別為83.30％和76.06％，且氣相中沒有甲烷氣產(chǎn)生。此外，對各種參數(shù)，如pH、溫度、接種量以及光強(qiáng)等對產(chǎn)氫率的影響進(jìn)行了研究。表明混合菌種的產(chǎn)氫條件較Rh.PalustrisZO2更為寬松。同時利用Arrhenius模型較好地反映混合菌種產(chǎn)氫速率與反應(yīng)溫度的關(guān)系。 本文同時對影響光合細(xì)菌產(chǎn)氫的固同氮酶的三大調(diào)控因素：氣相條件、NH+4、二價鐵系金屬離子對混合菌種生

5、物技術(shù)(MCB)光合產(chǎn)氫影響進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明氣相中大量的O2對固氮酶以及氫酶的毒害導(dǎo)致無法產(chǎn)氫，而微量O2的存在卻能對產(chǎn)氫有促進(jìn)作用，尤其是在Ar與微量O2的混合氣相條件下，產(chǎn)氫率達(dá)到最高的2.38molH2/mol乙酸鈉，且產(chǎn)氫延遲期最短。同時發(fā)現(xiàn)氣相條件對混合菌種產(chǎn)氫較純菌種Rh.Palustris.ZO2的影響小。通過pH值的控制與不控制時不同NH+4濃度的對比產(chǎn)氫試驗，發(fā)現(xiàn)不控制pH值時，NH+4對混合菌種光合產(chǎn)氫的抑制

6、作用顯著；而控制pH=7.0時，適當(dāng)?shù)蜐舛鹊腘H+4可以提高混合菌種的光合產(chǎn)氫率以及產(chǎn)氫速率。無論是否控制pH值，只有NH+4被菌體的生長所消耗掉，才開始產(chǎn)氫，這表明NH+4對產(chǎn)氫的抑制作用在一定范圍內(nèi)是可恢復(fù)的。同時通過混合菌種與純菌株Rh.PalustrisZO2的對比試驗發(fā)現(xiàn)，無論對于生長還是產(chǎn)氫，NH4+對混合菌種的影響均小于對純菌株Rh.PalustrisZO2的影響。二價鐵系金屬離子Fe2+、Co2+和Ni2+作為金屬酶的輔

7、基對光合細(xì)菌的生長和產(chǎn)氫有重要的作用。通過對不同濃度的：Fe2+，Co2+和Ni2+對光合細(xì)菌的生長與產(chǎn)氫的影響實驗研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)濃度的二價鐵系離子對產(chǎn)氫具有一定的促進(jìn)作用，F(xiàn)e2+，Co2+和Ni2+最佳產(chǎn)氫濃度分別為9μmol/L、0.45μmol/L和0.1μmol/L。對產(chǎn)氫的影響作用大小順序為：Fe2+＞Ni2+＞Co2+。二價鐵系離子在適當(dāng)?shù)臐舛确秶鷥?nèi)可提高生長速率，其中Co2+對生長的促進(jìn)作用最大。pH值影響二價鐵系離子對

8、固氮酶活性的作用，當(dāng)pH=7.0時，F(xiàn)e2+濃度的變化對產(chǎn)氫的影響最顯著。隨著pH值偏離7.0，F(xiàn)e2+濃度的變化對產(chǎn)氫的影響逐漸減小。 碳源與氮源的種類和數(shù)量也是影響產(chǎn)氫活性的重要因素。通過對混合菌種利用不同氮源和碳源進(jìn)行的產(chǎn)氫試驗，確定了適合混合菌種光合產(chǎn)氫的氮源和碳源，并進(jìn)一步確定了產(chǎn)氫最佳的C/N濃度比。本文最后通過對模擬含淀粉廢水進(jìn)行光合產(chǎn)氫的試驗研究，確定了淀粉產(chǎn)氫的影響因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)淀粉濃度是影響光合產(chǎn)氫的一個主要

9、因素，雖然淀粉是混合菌種光合產(chǎn)氫的非抑制性底物，即提高淀粉濃度可以提高產(chǎn)氫量，但對于產(chǎn)氫率來說則是隨著淀粉濃度的增高而逐漸減小的，所以產(chǎn)氫過程中如何確定淀粉濃度，還需要綜合考慮產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫延遲期等相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明混合菌種利用含淀粉廢水光合產(chǎn)氫是可行的。本文同時對反應(yīng)的菌液進(jìn)行了DNA提取、純化以及PCR擴(kuò)增，通過對DGGE圖譜分析，發(fā)現(xiàn)混合菌種利用淀粉光反應(yīng)和暗反應(yīng)產(chǎn)氫的樣品條帶在數(shù)量和亮度上都存在一定的差異，說明暗反應(yīng)條件下產(chǎn)氫的