能源性微生物的研究现状与应用前景|热能与动力工程专业英语翻译

　　摘要甲烷产生菌、乙醇产生菌、氢气产生菌、生物柴油产生菌、燃料电池微生物是能源性微生物重要组成种类,阐述了其作为特殊产生能源的代谢作用机理,探讨了利用微生物生产能源的应用现状和发展前景。
　　关键词微生物;生物能源;研究现状;应用
　　中图分类号 Q939.9 文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)11-0282-03
　　
　　随着可再生能源的迅速发展,人们对能源微生物的重视程度日益增加[1]。能源微生物主要包括甲烷产生菌、乙醇产生菌、氢气产生菌、生物柴油产生菌和生物电池微生物5大类,这些微生物分别与沼气、生物乙醇、生物氢气、生物柴油和生物燃料电池等能源的转化有直接的关系[2-4]。能源微生物以农业、林业废弃物和城市垃圾为原料产生绿色、可再生能源,对社会和环境的和谐发展具有重要意义。进一步了解和应用能源微生物是绿色农业和生态环境可持续发展中的1个重要而深远的研究课题,有待于进一步的研究、开拓和探索。
　　
　　1能源微生物种类及转化机理
　　
　　根据安斯沃思(Ainsworth)的分类系统,伯杰(Bergey’s)细菌鉴定法和洛德(Lodder)酵母菌鉴定法,能源性微生物主要分为5大类[5-8]:
　　甲烷产生菌的主要种类有甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷八叠菌属(Methanosarcina)、甲烷球菌属(Methanoccus)等[5]。其作用是在生物质原料的厌氧发酵过程中,产生以甲烷为主的沼气[6]。
　　乙醇产生菌的主要种类有酵母菌属(Saccharomyces)、假丝酵母属(Candida)、裂殖酵母菌属(Schizosaccharomyces)、球拟酵母属(Torulopsis)、酒香酵母属(Brettanomyces)、毕赤氏酵母属(Pichia)、汉逊氏酵母属(Hansenula)、克鲁弗氏酵母属(Kluveromyces)、曲霉属(Aspengillus)、隐球酵母属(Cryptococcus)、德巴利氏酵母属(Debaryomyces)、卵孢酵母属(Oosporium)等[7]。其作用是将复杂有机物酵解生成乙醇[8]。
　　氢气产生菌的主要种类有红螺菌属(Rhodospirillum)、荚硫菌属(Thiocapsa)、红微菌属(Rhodomicrobium)、外硫红螺菌属(Ectothiorhodospira)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、蓝细菌类硫螺菌属(Thiospirillum)、板硫菌属(Thiopedia)、梭杆菌属(Fusobacterium)、闪囊菌属(Lamprocystis)、网硫菌属(Thiodictyon)、埃希氏菌属(Escherichia)等[9]。生物制氢是利用产氢微生物的生理代谢过程发酵产生氢气[10]。
　　产油微生物包括酵母、霉菌、细菌和藻类,常见的有:浅白色隐球酵母(Cryptococcus albidus)、弯隐球酵母(Cryptococcus albidun)、茁芽丝孢酵母(Trichospiron pullulans)、斯达氏油脂酵母(Lipomyces)、产油油脂酵母(Lipomy slipofer)、类酵母红冬孢(Rhodosporidium toru loides)、胶粘红酵母(Rhodotorula),土霉菌(Asoergullus terreus)、紫瘫麦角菌(Clavicepspurpurea)、高粱褶孢黑粉菌(Tolyposporium)、深黄被孢霉(Mortierella isabellina)、高山被孢霉(Mortierella alpina)、卷枝毛霉(Mucor-circinelloides)、拉曼被孢霉(Mortierella ramanniana)等霉菌,硅藻(diatom)和螺旋藻(Spirulina)等藻类[11]。微生物油脂是指某些微生物在一定条件下将碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂等碳源转化为菌体内大量储存的油脂[12,13]。
　　生物电池的微生物包括脱硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans)、腐败希瓦菌(Shewanella purefaciens)[14]、大肠杆菌(Escherichiacoli)[15]、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)[16]、地杆菌(Geobacteraceae sulferreducens)[17]、丁酸梭菌(Clostridium byt-yricum)[18]、嗜甜微生物(Rhodoferax ferrireducens)[19]、粪产碱菌(Alcaligenesfaecallis)、鹑鸡肠球菌(Enterococcus gallinanm)等。它们在新能源开发[20]、微生物传感器[21]和水处理工艺[22]方面有良好的应用前景。
　　
　　2能源微生物研究与应用概况
　　
　　2.1甲烷产生菌
　　近20年来,我国科研工作者对厌氧消化处理中的产甲烷菌进行了非常深入的研究。1980年周孟津和杨秀山分离出巴氏八叠球菌;1983年钱泽澎分离出嗜树木甲烷短杆菌和甲酸甲烷杆菌[23];1984年赵一章等分离出马氏甲烷短杆菌菌株C-44[24]和菌株HX;1985年,张辉等分离出嗜热甲酸甲烷杆菌[25,26];1987年刘光烨等在酒窖窖泥中分离到布氏甲烷杆菌CS[27],钱泽澎等分离出亨氏甲烷螺菌[28],1988年陈美慈等分离出嗜热甲烷杆菌TH-6[29]。而在最近的十几年里,又陆续发现一些新的产甲烷菌种,2000年孙征发现的弯曲甲烷杆菌Px1[30],极大地促进了产甲烷菌的研究进程。我国现在采用人畜粪便、农副产品下脚料、酒糟废液和其他工业生产中的废液等生产甲烷,用于照明、燃烧等,其使用价值是相当可观的。例如日产酒糟500~600m3的酒厂,可日产含甲烷55%~65%的沼气9 000~11 000m3,相当于日发电量12 857~15 714KW,日产标准煤17.1~20.9t,可以代替橡胶生产中烘干用油的30%~40%。我国年产木材采伐废物1 000万吨,油茶壳75万吨,胶渣13万吨,纤维板生产废液350万吨和亚硫酸纸浆废液180万吨为原料,通过微生物作用可获得沼气1 780亿立方米。同时,使上述废液的净化率达30%~60%,并可获得单细胞蛋白饲料约9万吨(按1.7%得率计)[31]。
　　
　　2.2乙醇产生菌
　　燃料乙醇具有燃烧完全、效率高、无污染等特点,用其稀释汽油所制成的“乙醇汽油”,功效可提高15%左右。制作乙醇的原料丰富,成本低廉。1988年,巴西就有88%的新轿车的发动机使用乙醇作燃料。美国计划2006~2012年间,燃料乙醇年用量从1 200万吨增加到2 300万吨。英国、德国、荷兰等农业资源丰富的国家,也在进行燃料酒精的生产[32]。我国纤维素资源充足,年产植物秸秆约6亿吨,如果其中的10%经微生物发酵转化,就可生产出乙醇燃料近800万吨,其残渣还可用作饲料和肥料,因此发展纤维素乙醇前景广阔[33]。1993年,Ho等[34]将木糖还原酶、木糖醇脱氢酶和木酮糖激酶的基因转入酿酒酵母,首次成功构建出利用葡萄糖和木糖生产乙醇的工程酵母。Sonderegger等[35]将多个异源基因导入代谢木糖的酵母工程菌,重组酵母不仅降低副产物木糖醇的量,所得乙醇产量比亲株提高25%。现有乙醇菌种大多耐受力差、副产物多、对发酵条件要求苛刻,今后研究应致力于筛选优良性状的菌株,或利用基因工程手段选育高产纤维素酶、木质素酶菌种以及能克服上述问题的菌种,对其酶学特性、功能基因进行研究,优化发酵条件,辅以工艺措施的改进,提高燃料乙醇生产效率并降低成本。
　　
　　2.3氢气产生菌
　　微生物制氢是一项利用微生物代谢过程生产氢气的生物工程技术,所用原料有阳光、水,或是有机废水、秸秆等,能克服工业制氢能耗大、污染重等缺点;同时,由于氢气的可再生、零排放优点,是一种真正的清洁能源,受到世界各国的高度重视。杨素萍等[36]利用琼脂固定化Clostridium butyricum 菌株以糖蜜酒精废液为原料进行产氢。丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)和麦芽糖假丝酵母(Candida maltose)在36℃混合发酵废弃物48h,产氢速率可达15.42mL/h・L,明显高于单个菌种。此外,利用豆渣、堆肥、活性污泥产氢的报道相继问世。目前的研究应努力改进生产工艺,逐渐明确微生物产氢机理,保证其在产氢过程中的高效性、稳定性和对不同生态条件的适应性,相信不久的将来微生物制氢将成为世界能源的一个重要支柱[37]。
　　
　　2.4产油微生物
　　目前,国内外围绕着如何提高油脂含量,在菌种和发酵工艺方面开展了大量的研究,成功研制国际水平的产脂微生物菌种与生产工艺[38]。使用生物柴油对人类健康和全球危害都相对较轻,排放物中多环芳香化合物和亚硝酸多环芳香化合物含量水平低,二氧化碳和一氧化碳排放量仅为石油的10%,具有较好的生物降解性能。开发微生物油脂生产生物柴油,在降低污染、增加产量方面较前二者有更大的优越性。开发微生物油脂,不仅微生物发酵周期短,受场地、季节、气候变化影响不大,还可以利用木质纤维素、工业废水、废气等资源丰富、价格低廉的原料进行生产,既能够解决人类资源短缺的问题,又可以保护环境,一举多得,具有巨大发展空间。美国国家可再生能源实验室(NREL)认为,微生物油脂发酵可能是生物柴油产业和生物经济的重要研究方向[11]。
　　
　　2.5生物燃料电池微生物
　　生物燃料电池是一类特殊的电池,它以自然界的微生物或酶为催化剂,直接将燃料中的化学能转化为电能,不仅无污染、效率高、反应条件温和,而且燃料来源广泛,具有较大的发展空间。Hagerman[39]研究以含酸废水为原料的燃料电池,Kim等[40]利用微生物电池培养并富集了具有电化学活性的微生物,电池运行3年多,并从中分离出梭状芽孢杆菌。最近美国科学家找到一种嗜盐杆菌,其所含的一种紫色素可直接将太阳能转化为电能,电池里的单细胞藻类首先利用太阳能,将二氧化碳和水转化为糖,再让细菌自给自足地利用这些糖来发电。Pizzariello等[41]设计的两极室葡萄糖氧化酶/辣根过氧化物酶酶燃料电池,在不断补充燃料的情况下可以连续工作30d以上,具有一定的实用价值。
　　
　　3应用前景
　　
　　微生物作为生物能的主要参与者,其最大特点就是清洁、高效、可再生,与石油、煤炭等传统能源相比,有利于环境保护,与太阳能、核能、风能、水能、海洋能等新能源相比,其来源广、成本低、受地理因素影响小。虽然目前存在一些技术问题,但开发潜力是巨大的,利用前景是广阔的。不仅如此,微生物在现有的非可再生能源利用上也功不可没,可提高石油开采率和褐煤利用率,降低二者的污染效应,当之无愧地成为实现能源可持续发展目标的关键因素。利用微生物生产能源和对其进行利用,不仅没有环境污染问题出现,而且还可使目前污染严重的环境状况得以缓解。更有发展前景的是,生产和使用微生物能源可以治理污染,变废为宝获得综合效益。
　　
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