能源微生物

能源微生物研究进展和展望

摘要:生物柴油，微生物燃料电池，微生物制氢，燃料酒精是能生物能源的重要的组成种类，本文对微生物在生物能源方面的研究和应用现状进行了综述。对重要的微生物产能工艺进行综合比较评价，初步探讨了微生物能源作为新能源的发展趋势。

关键词:生物能源;生物柴油;燃料酒精;微生物制氢;微生物燃料电池能源就是向自然界提供能量转化的物质，能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。在全球经济高速发展的今天，国际能源安全已上升到了国家的高度，各国都制定了以能源供应安全为核心的能源政策。在此后的二十多年里，在稳定能源供应的支持下，世界经济规模取得了较大增长。但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展。尤其是在21世纪的今天，随着化石燃料等不可再生能源的消耗殆尽，新能源的开发和利用被认为是一个民族，一个国家可持续发展的首要问题。作为新能源之一的生物能源，更是有着廉价，无污染，取之不尽用之不竭的夺人光环。

生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源,包括生物液体燃料及利用生物体来生产的能源如生物柴油、燃料酒精、生物质气化及液化燃料、生物制氢等[1]。与一般植物、动物相比，微生物具有繁殖生长快、代谢类型多、培养成本低，容易控制培养，容易进行菌种改造和改良等诸多先天优势，故用微生物作为生产生物能源是一个非常有潜力的发展方向。

1生物柴油

生物柴油(Biodiesel)是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油是生物质能的一种，它是生物质利用热裂解等技术得到的一种长链脂肪酸的单烷基酯。生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。

与石化柴油相比，生物柴油具有人们对液体能源所期望的良好特性：能量密度高、硫含量低、燃烧充分、润滑性好、安全性好、可再生等，是石化柴油最重要的优质代用品之一[2]。少数微生物可在胞内合成和贮存超过细胞干重20％的油脂，具有该表型的微生物称为产油微生物[3]另外已经发现，在一定的生长条件下，某些藻类可以高效率地吸收阳光、二氧化碳和水分，使它们转化为三甘酯（油脂）,通过在海藻中培植一种叫做酰基- CoA 羧化酶（acetyl- C oA Carboxylase）的微生物来增加三甘酯的产量，后者再通过酯交换得到生物柴油[4]。虽然细菌、酵母、霉菌和藻类中都有产油菌株，但以酵母和霉菌类真核产油微生物积累的油脂具有与常规植物油更相近的脂肪酸，也就是说更适合作为生物柴油生产原料[5]。产脂微生物的固体发酵(solid一statefermentation，SSF)是最有可能，也将是最快使微生物油脂成为生物柴油原料油实现产业化的技术途径。这是因为产脂微生物的固体发酵接近植物油脂的产率.发现通过选育类似谷氨酸发酵菌种—代谢调控型“渗漏型”菌株，可以促使油脂持续生产，这点可以利用来连续发酵，再结合固定细胞技术，就可以实现高效的生产[2]。

利用微生物生产油脂按其原料种类可以分为：利用木质纤维素原料生产油脂，发现乙酸、甲酸、糠醛、香草醛对产油微生物均有较强抑制作用[6],从玫瑰花样品中筛选出一株具有木糖同化能力的粘红酵母Rhodotorula glutinis，将其在树叶水解液中培养，能够获得油脂含量为29％的菌体[7]。；利用甲壳素类生物质和菊芋等高糖植物生产油脂，如中国海洋大学池振明等将菊粉酶基因导入亚罗解脂酵母Yarrowia lipolytica，利用菊粉和菊芋提取物生产微生物油脂，菌体油脂含量分别达到48％和50％[8]; 利用工业有机废弃物生产油脂，产油微生物底物谱广泛，除了能够利用以上碳源外，还能够将工业有机废弃物转化成油脂，梁燕娜等利用粗甘油培养C.curvatus，菌体油脂含量达到52％[9]。另外对微生物积累油脂的生化及分子机制的研究，如小分子调控油脂积累（增加培养基中精油添加量，酵母生物量大幅度降低，产物中饱和脂肪酸含量增加），进一步开展调控微生物油脂的合成与积累以及与油脂积累相关的转基因研究，将具有更加深远的意义。2微生物燃料电池

当微生物分解或代谢食物的大分子时，会产生含电子的很多中间体。电子从微生物到电极的传递主要有3种方式:由细胞膜直接传递、通过中间体传递及以

上2种传递方式同时存在的传递,一是由细胞膜直接传递电子：二是由中间体传递电子[10]在这里，需要一个叫MHC 的装置。MFC本质上是收获微生物代谢过程中生产的电子并引导电子产生电流的系统。通常MFC反应器主要由3部分组成：阴阳电极、质子交换膜和反应室，其燃料（糖类、淀粉、半光氨酸、蛋白质、醇类等有机质物质）在微生物的催化作用下在阳极室中被氧化，产生的电子通过位于细胞外膜的电子载体传递到阳极，再经过外电路到达阴极，而质子通过质子交换膜，或者直接通过电解质到达阴极，这时氧化剂在阴极得到电子被还原[11]。MFC的功率输出取决于系统传递电子的数量和速率以及阳极与阴极间的电位差[12]。MFC中微生物学研究重点是找到那些能直接将电子传递给阳极的细菌,这类细菌被称之为产电细菌(electricigens),即能够在厌氧条件下完全氧化有机物成CO2,然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递到电极上产生电流,同时自身在电子传递过程中获得能量支持生长的菌类。已经确认的产电细菌主要是金属还原厌氧菌如红富菌属、地杆菌属和脱硫洋葱菌属(Desulfobulbus)的一些种,发酵菌如梭菌属(Clostridium)也可能具有产电性能[13]。

MHC分为不同的类型，简单的讲有A型MFC是在阳极室培养溶液中加入能穿过细菌细胞的电子载体媒质(mediator），如中性红,蒽醌-2,6-二磺酸盐(AQDS)等,将微生物代谢过程产生的电子运载到阳极。B型MFC是通过金属还原细菌本身特殊的细胞色素直接将电子传递到阳极,因而也被称之为无媒质MFC (mediator-less MFCs)。C型MFC是利用电催化电极使发酵产物如氢气和甲醇等在电极表面氧化。与燃料电池相比,MFC电池在温度(常温)、电极(无需贵金属电极)、燃料(无需纯化)等方面具有优势。

虽然单个MFC的工作电压只有0·5 V左右,但许多个MFC堆叠就可产生较高的电压,满足对低压用电的需求。与单菌株MFC相比,混合微生物菌群在MFC 中的应用具有潜在的高抗扰动、高底物利用率、低底物特异性和高输出功率等优势。混合菌群主要从湖泊和海洋沉积物或污水处理厂活性污泥中富集[14]。MFC 中混合菌群去除的COD的效率可达80%以上,但有的研究认为去除的COD中只有很少一部分是通过产电过程去除的。这些结果表明,参与发电过程的微生物可能不能分解所有的有机物,某种或某些降解COD的细菌可能不具产电能力[12]。