混合菌種生物技術（MCB）光合產氫的試驗研究.pdf

1、隨著能源的日益緊張以及環(huán)境污染的日益嚴重，作為清潔能源的氫能的研究逐漸受到重視。相對于傳統的制氫方法，生物產氫由于低能耗、高效率、無污染以及可再生等優(yōu)點而備受關注。其中光合生物產氫集太陽能利用、可再生資源利用、有機廢棄物處理以及產氫相聯合，將成為最有潛力的產氫技術。認識光合微生物產氫的規(guī)律，能動地利用這些客觀規(guī)律指導能源工作，同時也是地球生態(tài)平衡、物質循環(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研究和利用的微生物資源。

2、混合菌種多種類細菌間發(fā)生協同效應，使代謝產物不易積累，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氫能力。混合菌種生物技術(MCB，mixed culture biotechnology)可以成為超越基于傳統單一純菌株生產化學產物或者/和生物能源的生物技術的一種新的選擇。與工業(yè)化生物技術的純菌株相對比，利用混合菌種生物技術(MCB)光合產氫具有以下優(yōu)點：不需要滅菌；由于微生物的多樣性具有很強的適應能力；對于

3、多種底物具有適應能力以及持續(xù)生產過程的可能性。 本文對從沼氣池活性污泥富集培養(yǎng)出以多種光合細菌為主的混合菌種進行了光合產氫的實驗研究，同時以純菌種沼澤紅假單胞菌Rh.PalustrisZO2作了相應的對比試驗，并利用修正的Gompertz方程進行產氫動力學分析。結果表明，混合菌種比純菌種的光合細菌表現出更好的產氫能力和更高的穩(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生。此外，對各種參數，如pH、溫度、接種量以及光強等對產氫率的影響進行了研究。表明混合菌種的產氫條件較Rh.PalustrisZO2更為寬松。同時利用Arrhenius模型較好地反映混合菌種產氫速率與反應溫度的關系。 本文同時對影響光合細菌產氫的固同氮酶的三大調控因素：氣相條件、NH+4、二價鐵系金屬離子對混合菌種生

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

6、作用顯著；而控制pH=7.0時，適當低濃度的NH+4可以提高混合菌種的光合產氫率以及產氫速率。無論是否控制pH值，只有NH+4被菌體的生長所消耗掉，才開始產氫，這表明NH+4對產氫的抑制作用在一定范圍內是可恢復的。同時通過混合菌種與純菌株Rh.PalustrisZO2的對比試驗發(fā)現，無論對于生長還是產氫，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、基對光合細菌的生長和產氫有重要的作用。通過對不同濃度的：Fe2+，Co2+和Ni2+對光合細菌的生長與產氫的影響實驗研究發(fā)現，適當濃度的二價鐵系離子對產氫具有一定的促進作用，Fe2+，Co2+和Ni2+最佳產氫濃度分別為9μmol/L、0.45μmol/L和0.1μmol/L。對產氫的影響作用大小順序為：Fe2+＞Ni2+＞Co2+。二價鐵系離子在適當的濃度范圍內可提高生長速率，其中Co2+對生長的促進作用最大。pH值影響二價鐵系離子對

8、固氮酶活性的作用，當pH=7.0時，Fe2+濃度的變化對產氫的影響最顯著。隨著pH值偏離7.0，Fe2+濃度的變化對產氫的影響逐漸減小。 碳源與氮源的種類和數量也是影響產氫活性的重要因素。通過對混合菌種利用不同氮源和碳源進行的產氫試驗，確定了適合混合菌種光合產氫的氮源和碳源，并進一步確定了產氫最佳的C/N濃度比。本文最后通過對模擬含淀粉廢水進行光合產氫的試驗研究，確定了淀粉產氫的影響因素。結果發(fā)現淀粉濃度是影響光合產氫的一個主要

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