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外加电场辅助质子传递供类球红细菌光合产氢研究

邓文武  
【摘要】: 氢能由于其可再生、清洁、高效而成为最具发展前景的替代能源。光合细菌(Photosynthetic Bacteria, PSB)能将光能利用和有机物的去除有机地结合在一起制取氢气,具有产氢速率快、产氢纯度高等特点,但目前利用光合细菌制氢技术研究仍处于实验阶段,氢的生产率仍然较低,严重制约着光合产氢技术发展。为了实现光合菌细菌制氢技术产业化应用,还需进一步深入研究开发新技术。为了提高光合细菌的生产率,考虑由外界系统向光合细菌产氢系统提供产氢原料质子来提高光合细菌产氢的产氢量。本文运用双极室反应器阳极室微生物氧化分解有机物释放质子,质子在外加电场的作用下通过质子交换膜传递到阴极室,阴极室中的光合细菌利用这些质子进行光合产氢,从而提高其产氢量。 本文以类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)为研究对象。首先研究了R.sphaeroides生长和光合产氢的优化条件以及利用混合底物产氢的性能;然后对R.sphaeroides进行外加电场的驯化,使其适应微电场环境,并运用Biolog GN微孔板分析了外加电场对R. sphaeroides的碳源代谢的影响;再研究用外加电场辅助质子传递供R. sphaeroides光合产氢,以及R. sphaeroides与其它降解菌在产氢关系上的生态关系。研究结果表明: (1) R. sphaeroides在pH 7.0~8.0,光照强度30001x,温度30~35℃,以厌氧光照的条件下生长最好。 (2) R. sphaeroides光合产氢的最佳条件为:48h种子液,pH7.0-7.5,光强强度3000~70001x,温度30℃-35℃。 (3) R. sphaeroides能够利用多种不同碳源光合产氢,但其产氢活性对底物具有选择性,其中葡萄糖具有最大的氢产量和平均产氢速率,达2.625L/L和16.6mL/L/h,琥珀酸钠具有最大的底物转化效率达54.8%;用琥珀酸钠与葡萄糖按15:15(mmol/L)为混合底物产氢时,氢产量,平均产氢速率和底物转化率分别提高了35.3%,35.5%和35.3%。 (4)双极室反应器辅助R. sphaeroides光合产氢,阳极室中加入阳极驯化的R.sphaeroides为降解菌,30001x厌氧光照培养,丁二酸钠为供给碳源,外加电势0.3V时,阴极室中R. sphaeroides的产氢结果最好,同纯培养相比,产氢量提高了85.7%。证明R. sphaeroides能够利用外加系统提供的质子催化生成氢气。 (5)用Biolog GN微孔板分析外加电场驯化后R. sphaeroides的碳源代谢发现,阳极驯化的R. sphaeroides丰富度指数(S)增加了9,阴极驯化的R. sphaeroides丰富度指数(S)略有下降,但是两株细菌的平均颜色变化率(AWCD)都有明显提高,说明外加电场能够提高R. sphaeroides的代谢活性。 (6)双极室反应器辅助R. sphaeroides产氢能够提高其产氢量,其机理可总结为:阳极室为R. sphaeroides产氢系统提供外来产氢原料质子,同时,质子还能调节产氢的pH环境;另外,外加电场能够提高R. sphaeroides的代谢活性。 (7)双极室反应器阳极室分别加入R. sphaeroides、沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)、大肠杆菌DH5α(Escherichia coli DH5a)、大肠杆菌BL21 (Escherichia coli BL21)以及固定化的盐生盐杆菌(Halobacterium salinarum)浓缩细胞PC(SA-PC)均能提高阴极室R. sphaeroides光合产氢能力,其中当阳极室为R. sphaeroides时效果最好;另外,阳极室均未出现酸化现象。


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