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绿藻间接光解水制氢过程的研究

管英富  
【摘要】: 绿藻可逆性氢酶制氢是太阳能光解水制氢的理想途径。虽然其实际应用还有相当长的一段距离,但发达国家已投入相当大的财力用于该项研究,并列为国际氢能合约中的一项重大课题,而在国内还未有足够的重视和注意。本论文作为绿藻制氢的起步性研究,以绿藻产氢现象特征规律及其宏观调控为研究内容,期望为绿藻制氢研究的深入发展提供良好的基础。 论文在建立绿藻间接产氢技术方法的前提下,从收集到的海洋绿藻中首次找到了一株可光照产氢的亚心型扁藻。与莱茵衣藻相比较,其产氢能力相当。 利用DCCD(质子泵抑制剂N,N'-dicyclohexylcarbodiimide)、DBMIB(光合电子传递抑制剂2,5-dibromo-3-methyl-6-isopropyl-p-benzoquinone)、DCMU[PSⅡ光合放氧抑制剂3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea]、连二亚硫酸钠(强还原剂)、无硫调控及固定化扁藻等手段,对该扁藻产氢进行初步的宏观调控,发现DCCD的加入、扁藻的固定化和无硫调控对产氢均有正效应,其中无硫调控使扁藻产氢时间延长,总产氢量提高了近10倍。对无硫条件下扁藻产氢的规律做了较系统的研究,发现其光照产氢的最佳pH值为8,暗诱导氢酶的最佳时间为32小时;产氢过程同时有大量的氧气放出。采用强还原剂、PS Ⅱ抑制剂虽然可使体系处于厌氧状态,但产氢效率并无提高,甚至下降;光照产氢过程分别外加碳源NaAc、促生长剂IAA,藻体培养过程中补充Fe和Ni的无机物均能使扁藻产氢的效率有所提高。 与传统的无硫调控不同,本论文采用解偶联剂CCCP(carbonyl cyanidem-chlorophenylhydrazone)对扁藻产氢进行宏观调控,与无解偶联剂相比较,产氢时间从4小时延长到8小时,产氢效率提高了300倍。对CCCP调控扁藻产氢规律的研究表明,藻体以培养增殖的对数生长后期为佳;暗诱导时间为32小时;光照产氢的细胞密度以400万个细胞/ml藻液为佳;最佳pH值为8左右, B摘要 pH值的有效适用范围比无硫调控更宽。与CCCP进行联合调控的研究表明,DCCD 与CCCP存在协同增强效应,使扁藻产氢效率提高了500倍。与美国加州大学伯 克利分校所用的莱茵衣藻比较,扁藻的产氢速率略高,但产氢持续时间仅为8小 时。 论文比较了无硫调控和CCCP调控对实验室收集的6株海水绿藻和7株淡水 衣藻间接法光照产氢的影响,发现CCCP调控对衣藻也有较好的作用,其中最有 效的是使衣藻se产氢效率提高83倍。 与CCCP进行联合调控的研究表明,CCCP和DCCD对衣藻se产氢存在一定的 协同作用,但DCCD单独对衣藻se产氢的影响高于扁藻。 根据上述研究所获得的调控规律可推断扁藻与衣藻产氢机制有所不同。扁 藻的产氢机制可推断为:光合放氢的电子全部来自PSn光解水,而衣藻se光合 放氢80%的电子来自PSll光解水,其余部分来自细胞内营养物的降解。两种绿 藻光合放氢的电子都经过PQ,。yt b6/f,Pc,PSI,Fd传递到氢酶,使氢酶催化质 子还原为氢气,其速度限制因素都是类囊体膜的跨膜质子传递。 论文最后对扁藻和衣藻se无硫调控及CCCP调控前后的生理状态和生化组 成作了初步的分析、检查,发现两种藻类表现出较不同的变化。变化的原因还 有待于深入探讨,但CCCP调控产氢后的扁藻多次再用的实验表明这些变化可 以恢复。


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