光合细菌

的菌株组建形成高效立体混合生态群， 通过提高群体光能
利用率和生长量以大幅度提高产氢量 PSB 处理有机废水 降解过程， 单一菌株在处理过程中不能完全保持竞争优势 ， 必须依靠两种或多种微生物共同完成。
物三个自然界物质循环中极为重要的化学过程 PSB 产氢的
生物学机制中以Gest 等的理论最为经典 PSB 能在光照厌氧 条件下经厌氧柠檬酸循环途径裂解有机物产生分子氢。
光合产氢过程与氮代谢( 固氮酶) 有关， PSB 中的光过程 主要是由固氮酶催化得来。产氢过程需 ATP 和还原力。 PSB 内的碳源代谢系统可利用通过糖酵解( EMP) 、三羧 酸循环( TCA) 产生 ATP、H+ 、CO2 及电子供体。电子由 电子供体传递至细胞色素 cytb 后进入电子传递循环链。 当电子经过光反反应中心时，通过光能吸收、转化被激发 为高能位电子。高能位电子的一部分在电子链内循环降低 能位产生 ATP， 另一部分依靠铁氧化还原蛋白传递至固 氮酶，固氮酶利用高位电子、H+、ATP 固氮并产生 H2， 此外也需要氢酶的参与。目前 PSB 生物产氢技术主要包 括光发酵和暗 - 光耦联产氢技术，其产氢机制的核心是相 同的。PSB 光合作用及电子传递主要过程见下图。
3. PSB产氢的影响因素
PSB 产氢需要在合适环境条件 (温度、光照、pH 等) 与营养条件(碳源 、氮源 、碳氮比等) 下进行 。微量元素、菌龄与接种量、细胞固定化 联合培 养等因素也与 PSB 产氢直接相关。
3.1 环境因素
3.1.1 氧
氧对 PSB 的固氮酶和氢酶均有抑制作用，氧气的存在能 抑制光合磷酸化，从而能够抑制 PSB 的产氢反应。为保 证产氢效率， 需采用惰性气体排除残留的氧， 保证厌氧
环境。 PSB 产氢并非是严格厌氧的，微量氧的存在有助
于提高产氢量 。这可能是因为少量氧的存在使细胞以呼吸 的方式代谢产生更多的ATP， 当氧气耗尽， 细胞进入厌 氧状态产氢时， 多余的能量则用于产氢。
3.1.2 pH pH 可引起细胞膜电荷的变化，从而影响PSB 对 营养物质的吸收， 它还可以影响代谢过程中酶的
光合细菌生物产氢技术
1. 生物制氢
目前， 生物制氢的研究主要集中在厌氧发酵产氢 和光合生物产氢两方面， 其中光合生物产氢的主 要产氢生物又可分为两类: 光合细菌(
photosynthetic bacteria，PSB) 与藻类。 PSB 产氢的速率比藻类快， 能量利用率比发酵细菌高 ， 且能将产氢与光能利用 有机物的去除有机地结 合在一起， 因而相对于厌氧发酵产氢和藻类产氢 ， PSB 产氢具有更高的价值。
活性，改变生长环境中营养物质的可给性及有害
物质的毒性等 。不合适的 pH 能抑制固氮酶和氢 酶的活性，从而对 PSB 的产氢有很大的影响 为 保证产氢效率，需调节反应器内的 pH 到适宜
PSB 生长的范围。酸性条件时， PSB 具有较高 的产氢量 、产氢速率和能量转化效率。
3.1.3 温度
温度直接影响酶的活性，为保证产氢效率， 将温
度控制在光合细菌生长繁殖最适宜的范围内 。 产 氢的最佳温度一般在 30 ～ 35℃之间， 这与多数 PSB 生长的最佳温度相一致。
2.1.4 光照
PSB 的光合产氢是一种与光合磷酸化相偶联的固 氮酶催化过程，在一定光强范围内，PSB 的产氢 活性随着光照强度的增加而增大。但是随着光照 强度的不断增加，达到一定程度后，其产氢活性 会逐渐减小甚至被完全抑制。当光照强度超过极 限值时，光合器官吸收了超过光合作用所需要的 能量时，会引起 PSI 系统的过量激发，使光合效 率下降，产生光抑制现象。 PSB 产氢的最佳光强 一般在 2000 ～ 3000 lux。光源类型、光照强度 等均影响 PSB 产氢的活性。
2. PSB生物产氢机理
PSB 在光照厌氧的条件下可产氢， 其机理是: PSB在光照厌
氧时利用光能进行光合作用同化 CO2， 不产氧 PSB 细胞内
只有一个光系统， 即 PSI， 光合作用的原始供氢体不是水 ， 而是 H2 S ( 或一些有机物) ， 这样它进行光合作用产生 H2 分解有机物， 同时还能固定空气的分子氮生成氨 PSB 在 自身的同化代谢过程中， 可以同时完成产氢 固氮 分解有机
目前 PSB 产氢使用的氮源多为谷氨酸钠等有机铵， 价格ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ较高， 使用无机氮源是降低 PSB 产氢成本的一条途径 。 尽管 N2是产氢反应的抑制剂， 但是在大量氮气存在的情 况下，并不能完全抑制氢气的产生。而在 NH4+存在下则
可完全抑制氢气产生。
3.2.3 碳氮比
碳氮比影响微生物生长代谢途径、代谢产物的积累、基因 表达以及酶的活性。为确保产氢效率应将碳氮比控制在 PSB 生长繁殖最适宜的范围内。 PSB 利用乙酸、丙酸、
， 产氢率为308.9 ml/g 乙酸， 在添加铁和镍后， 产氢率 分别提高至 360.6 ml/g 乙酸和429.7 ml/g 乙酸。
3.3.2 菌龄和接种量
不同初期活性的细菌酶系统发育程度不同， 菌龄和接种量
影响菌株的生理状态、生长状态和代谢产物的组成等， 对
产氢影响较大 。对数期细胞分裂速度最快， 代时最短， 代谢活动旺盛， 接种一般在对数期进行， 也有较少在稳 定期接种的报道。一般采用10% ～ 20%的接种量 ，接种 量直接影响菌株产氢活性， 随着接种量的增加， 产氢延
丁酸的产氢，指出两步法产氢碳氮摩尔比应高6。
3.3 其他因素
3.3.1 微量元素
铁、镍、钼等微量元素参与 PSB 代谢和产氢， 镍是合成 和激活固氮酶的必需物质。为确保产氢效果应提供适宜 PSB生长繁殖的微量元素。镍铁对Rhodop seudomonas
palustris Z 菌株产氢的影响， 发现菌株利用乙酸产氢时
滞期明显缩短，产氢量明显提高。
3.3.3 细胞固定化 细胞固定化为微生物提供一种 相对稳定的生长环 境， 减少渗透压对细胞的危害。 一般认为固定化 技术能提高产氢能力和稳定性。固定化技术中大 多数采用的是纯菌种， 为生物制氢技术工业化的 操作和管理带来了困难。
3.3.4 联合培养
PSB 和其它细菌的联合培养以及多级培养是目前研究热 点课题， 厌氧菌具有较强降解较大分子的能力， 其产氢 依赖于氢酶， 不受氨的抑制。将不同营养类型和不同性能
3.2.2 氮源 PSB 固氮酶对氨的敏感性与谷氨酸合酶( GOGAT) 及谷氨酰胺合成酶 ( GS) 活性相关， 在一定范围内氨的吸收与 GOGAT 活性相偶联， 如 果 GOGAT 发生突变， 则固氮酶的氨敏现象明显提高。氨敏现象的 产生主要是通过 GS 传感机制进行的。谷氨酰胺( Gin)对固氮酶活性 的抑制， 这种抑制效应由 GS 参与， 当中断Gin 代谢的物质如重氮 乙酰丝氨酸存在时，氨抑制的持续时间延长，可能是由于 Gin 的积累 。但是 Gin 抑制能够被 MSX( GS 抑制剂) 消除， 且 MSX 消除氨抑 制并不被重氮乙酰丝氨酸拮抗，这表明氨通过 GS 传感抑制固氮活性 ， 从而抑制光合产氢。这种抑制作用是可逆的， 经过一定时间的延 滞期， 铵被消耗或移出后固氮酶活性又可恢复， PSB 又重新开始产 氢。
3.2 营养因素
3.2.1 碳源
PSB 利用不同碳源产氢存在着差异性，这种差异性的存 在主要是由于碳源进入 PSB 内部代谢过程的方式不同， 以及在厌氧条件下形成还原性 H+ 的能力不一样，而还原 力吸收光激活电子直接导致氢分子的释放。 PSB 可利用 糖类 、低级脂肪酸、多种二羧酸、醇类、芳香族化合物等 低分子有机物来进行产氢反应。在 PSB 产氢过程中底物 浓度对产氢影响很大，浓度太低，有机物含量少，细菌不 能获得足够的营养物质，生长缓慢或停止生长，不能产氢 或产氢量低; 相反，浓度过高，会提高渗透压或产生毒性 ，损伤细胞，抑制PSB 生长和产氢活性。