浅谈光合细菌产环保新能源的研究进展

安红霞

（1.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛266100；2.山东省即墨市环境保护局，山东 即墨266200）

1 引言

在有限储量的化石燃料（石油、天然气、煤炭）日益减少、能源需求不断增加以及环保问题所造成的种种压力的情况下，人类面临着巨大的能源挑战，因此生物制氢的研究便应运而生。能够产氢的微生物主要有多种厌氧菌、兼性厌氧菌、好氧菌、光合细菌和蓝细菌等，其中由于光合细菌产氢具有便捷、高效、利于维持等特点在生物制氢研究方面显示出独有的魅力。

2 光合细菌的分类

光合细菌（Photosynthetic bacteria简称PSB）是水圈微生物的一种，在地球上出现最早，具有原始光能合成系统，主要分布在水的厌氧层中，分布极为广泛，遍布于土壤、淡水、海水、甚至温度极高的温泉、温度极低的南极海岸以及含盐量很高的水体中，尤其是富含有机物的水域中。

目前，已知的光合细菌约有50多种，光合细菌属于原核生物界细菌门真细菌纲的红螺菌目，本目的红螺菌亚目通常称为紫色细菌，紫色细菌又分为：紫硫细菌和紫色非硫细菌；绿菌亚目通常称为绿色细菌，绿色细菌分为绿硫细菌和绿色非硫细菌（绿色丝状菌）。光合细菌是一类生理上特殊的原核生物，属革兰氏阴性菌。这一类群的菌体形态极为多样，主要有球状、杆状、螺旋状和卵圆状。

在光合细菌中，许多菌种具有运动性，能运动的菌种，多数有极生菌毛，极少数有周生鞭毛，也有以滑行的方式运动的菌种。光合细菌含有类胡萝卜素和细菌叶绿素，细胞色素、泛醌和铁氧化还原型的非血红素铁蛋白。随光合细菌种类和数量的不同，菌体呈现不同的颜色。一般来说，每种光合细菌的颜色在固定培养的条件下具有特征性。因此，可以通过细菌细胞悬液的吸收光谱来鉴定菌种［1］。

3 光合细菌在环保新能源领域的应用

光合细菌在自然界的物质循环中占有及其重要的地位，参与到碳循环、硫循环、氮循环以及氢气的产生等生物反应中。在当今社会中，光合细菌以其独特的生理特性，在水体净化、水产养殖、治理污水、开发生物能源等具有现实意义的项目中显示出越来越重要的应用价值。光合细菌可降解有机物转化太阳能为氢能，且具有产氢不放氧、产氢效率高、产氢纯度高，对太阳光谱有宽的响应范围等优点，而且还可以将光合细菌与其他微生物形成共同体系，增加产氢量，延长产氢时间，提高产氢效率。

光合产氢的典型代表是紫色非硫细菌，这类菌可利用各种有机物作碳源和光合作用供氢体，主要营光能异养生活。可同化脂肪酸、碳水化合物及芳香族化合物等多种有机物；对H2S很敏感，但有的种能在光照和厌氧条件下氧化低浓度的硫化物；在黑暗中，可好氧生长，少数可厌氧生长（发酵糖或丙酮酸），但生长微弱。菌体呈球形、卵圆形、杆状或螺旋状，不能氧化硫化物，大部分单个存在，仅有红微菌的菌体细胞间有细丝连接，形成链状丝状体。细胞大小通常为0.6～10μm。在紫色非硫细菌中，除红微菌及红色假单胞菌中极少数以芽殖方式繁殖外，其他种均以二分分裂繁殖。红微菌是以细胞产生细丝，在细胞细丝的末端形成球形芽，成熟后与细丝分离即形成子代细胞。

4 紫色非硫细菌产氢的机理和进展

产氢是固氮光合细菌特有的一种性能。光合细菌固氮和产氢之所以密切相关，是因为这两种过程皆由同一种酶—固氮酶催化。产氢是固氮酶固有的一种能力。在固氮条件下生长的光合细菌总是释放氢气。当氮气饥饿时，产氢能力最强。

其中紫硫细菌和绿硫细菌皆在光照厌氧条件下，以还原态无机硫化物或H2作供氢体固氮并产氢。紫色非硫细菌在光照、严格厌氧条件下，在没有N2或N2缺乏时，利用有机物产氢［2］。光合细菌在固氮过程中，NAD（P）H2提供e－和H＋在固氮酶并没有完全用于还原N2成NH3，而是有一部分e－在固氮酶上将H＋还原成H2。在氢化酶参与下e－还原H＋成分子H2。在正常情况下，光合细菌固氮和产氢同步进行。固氮光合细菌在氮气饥饿时，NAD（P）H2中的H＋几乎全部在固氮酶上被e－还原H＋成分子H2。

1949年Gest和Kamen首先发现深红红螺菌以有机物为供氢体的光合产氢现象，以后越来越多的科学家致力于研究光合产氢，关于沼泽红假单胞菌、胶质红假单胞菌、荚膜红假单胞菌、最细红硫菌、酒色红硫桃红荚硫菌、沙氏外硫红螺菌、万尼氏红微菌和球形红假单胞菌等都有产氢的报道［3］。

近年来国内外也有很多科学家致力于研究光合细菌的产氢，对此的研究也已从对现象的认识角度转向生物工艺技术的研究开发阶段，其发展前景不容忽视。

［1］ 徐向阳，俞秀娥，郑 平，等.固定化光合细菌利用有机物产氢的研究［J］.生物工程学报，1994，10（4）：362～368.

［2］ 安立超，高 谨，张胜田，等.红色非硫细菌的生长特性研究［J］.环境污染治理技术与设备，2004，12（5）：35～37.

［3］ 徐向阳，郑 平，俞秀娥，等.固定化光合细菌处理有机废水过程产氢的研究——Ⅱ.红假单胞菌菌株D利用有机物光产氢的特性［J］.太阳能学报，2003，10（14）：288～294.