生物制氢现状及前景 [生物制氢的研究进展及应用前景]

　　摘要：氢能具有清洁、高效、可再生的特点，是一种最具发展潜力的化石燃料替代能源。与传统制氢技术相比，生物制氢技术能够以有机废物为底物产生氢气，生产成本低又可净化环境。介绍了生物制氢的方法、原理、研究进展，指出存在的问题及研究方向。
　　关键词：生物制氢 生物制氢技术 研究进展
　　
　　能源短缺和环境污染是人类所面临的两大难题。随着经济的发展，大量化石燃料的使用带来的环境污染日益加重。由化石能源过度使用所带来的全球气候变化、酸雨、臭氧层破坏、荒漠化加剧、生物多样性减少已占据21世纪世界所面临十大主要问题中的5个。因此，开发新能源势在必行。氢气作为燃料，具有高热值、清洁、高效、可再生等优点为目前最具发展潜力的一种新能源。传统的化学产氢方法采用电解水或热解石油、天然气，需要消耗大量的电力或矿物资源，生产成本也普遍较高。生物制氢越来越受到人们的重视。该文主要介绍了生物制氢的方法、原理、研究进展，指出存在的问题及研究方向。
　　一、生物制氢概述
　　1.光解水制氢
　　光解水制氢是微藻及蓝细菌以太阳能为能源，以水为原料，通过光合作用及其特有的产氢酶系，将水分解为氢气和氧气。此制氢过程不产生二氧化碳。蓝细菌和绿藻均可光解水产生氢气，但它们的产氢机制却不相同。藻类的产氢反应受氢酶催化，可以利用水作为电子和质子的原始供体，这是藻类产氢的主要优势。蓝细菌同时具有固氮酶和氢酶，其产氢过程主要受固氮酶作用，氢酶主要在吸氢方向上起作用。蓝细菌也能利用水作为最终电子供体，其产氢所需的电子和质子也来自于水的裂解。
　　（1）绿藻产氢
　　绿藻是目前发现的唯一一种既能进行光合作用放氧，又存在氢代谢途径的真核微生物。绿藻在光照和厌氧条件下的产氢由氢酶介导。这种方法的优点是耗能低、生产过程清洁无污染且作为原料的水资源丰富，引起世界各国生物制氢领域研究单位的重视。研究表明，光照条件下，氢酶所需还原力除水以外，内源性有机物（淀粉）也可作产氢还原力。对于O2对产氢酶的抑制作用，徐斐、何定兵、胥义指出运用基因工程的方法对绿藻中编码气体通道的密码子进行定点突变，最终获得耐氧性高产菌株是一个很有价值的突破点。
　　（2）蓝细菌产氢
　　蓝细菌是一种好氧的光养细菌。蓝细菌能够通过光合作用合成并释放氢气。蓝细菌的许多种属都含有能够进行氢代谢和氢合成的酶，包括固氮酶和氢化酶。固氮酶催化产生分子氢，氢化酶既可以催化氢的氧化也可以催化氢的合成，是一种可逆双向酶。
　　2.光合细菌产氢
　　光合生物产氢利用光合细菌或微藻将太阳能转化为氢能。目前，研究较多的产氢光合生物主要有蓝绿藻、深红红螺菌、红假单胞菌、类球红细菌、夹膜红假单胞菌等。
　　光合细菌只含有一个光合中心，相当于蓝绿细菌的PSⅠ，其所固有的只有一个光合作用中心的特殊简单结构，决定了它所固有的相对较高的光转化效率，具有提高光转化效率的巨大潜力。电子供体是有机物或还原态硫化物，所以光合磷酸化过程不放氧，且只产生ATP而不产生还原力。与绿藻和蓝细菌相比，这种只产氢不放氧的特性，可大大简化生产过程。
　　3.厌氧发酵产氢
　　暗发酵产氢是利用厌氧产氢细菌在黑暗、厌氧条件下将有机物分解转化为氢气。目前，认为厌氧细菌产氢过程可通过丙酮酸产氢途径、甲酸分解产氢途径、通过NADH/NAD��+平衡调节产氢途径等三条途径实现，丙酮酸产氢途径和甲酸分解产氢途径有时也称为氢的直接产生途径。
　　二、存在的问题及研究方向
　　1.光解水制氢
　　除了存在与光合细菌产氢相同的问题之外，藻类光解水产氢还存在氧气对产氢酶的抑制作用以及光转化效率低两个方面的主要障碍应主要集中在以下几个方面开展研究：利用基因工程改造、培育耐氧菌株，克服绿藻光合产氢的同时产生氧气的瓶颈问题；通过基因工程改进产氢菌株提高其光转化效率，同时研究开发新型光合生物反应器提高反应器的光传导效率，提高光转化效率。
　　2.光合细菌产氢
　　如何缩短光合细菌的产氢时间，提高光转化效率、改善光合细菌�氧的耐受程度原料成本太高是目前光合细菌产氢所面临的问题。光合细菌产氢可利用的原料范围广泛，针对不同的原料筛选高效产氢菌株是提高光合细菌产氢效率的重要途径。
　　3.厌氧发酵产氢
　　原料转化效率偏低、产氢速率偏低是目前厌氧发酵产氢的主要问题。运用分子生物学手段对菌种及产氢过程的关键酶进行改造，提高关键菌株的产氢效率是值得研究的方向。利用代谢工程手段等现代生物技术手段对产氢细菌进行改造的研究目前在生物制氢领域还没有展开，是很值得深入研究的方向。通过细菌的代谢工程改造和控制，将是突破暗发酵制氢低转化率的重要突破口。
　　总之，生物制氢是解决能源危机，实现废物利用，改善环境的有效手段，将拥有广阔的社会和经济前景。为此，本着独立自主、勤俭办一切事业的精神加快生物制氢技术研究与开发的步伐，是时代发展的必需。
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　　资助项目：河南省科技厅重点攻关项目（092102110191）和河南省教育厅资助项目（2010B180022）。