微藻光合作用制氢

微藻光合作用制氢—能源危机的最终出路?能源是人类生存与发展的物质基础,人类所用的能源主要是石油、天然气和煤炭等化石燃料。化石燃料是远古时期动植物遗体沉积在地层中经过亿万年的演变而来的,是不可再生能源,其储量有限。全球已探明的石油储量约为1.5x1012t,按现消费水平到2040年将枯竭;天然气储量约为1.2x1012t,仅够维持到2060年;煤炭储量约为5.5x1012t,也仅可用200年。我国石油资源有限,每年自产原油一亿多吨,但远不能满足国民经济发展的需要。此外,化石燃料的燃烧产物co2会造成温室效应,燃烧副产物氮氧化物、硫氧化物等既可导致空气污染,又可能形成酸雨,危害甚大。因此,寻找可其犯上能源成为各国政府能源战略的主导政策。地球上的能源均来源于太阳,每年人射到地球表面的太阳育黝为5.7xl024J,约为人类所用能源的1万倍，因此可以说太阳能‘‘取之不尽、用之不竭”。但太阳能的利用需要有效的载体,需要将太阳能转化为一种可以储存、运输和连续输出的能源。氢就是最好的能量载体,具有高效、无污染、适用范围广等显著优点。目前氢的制备主要包括化石原料制氢和电解水制氢两种途径,了断交本昂贵。前者需要消耗大量的石油、天然气和煤炭等宝贵的不可再生资源;后者则以消耗大量的电能为代价,每生产1m3的氢需要消耗4~5千瓦时的电能。要使氢能成为未来能源结构中的重要支柱,其关键是建立一种能简单、快速、高效的从富含氢元素的水中制取氢的新技术。生物制氢特别是微藻制氢是近年来制氢领域的研究热点。生物制氢包括发酵制氢和光合作用制氢。前者利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氢,而后者则利用光合细菌或微藻直接转化太阳能为氢能,特别是微藻制氢的底物是水,来源丰富,是目前国际上生物制氢领域的研究热点。我国在光合细菌制氢方面尽管起步较晚,但也取得了一些进展,而在微藻制氢方面除上世纪80年代有少量报道外,近10年来鲜有报道本文将对近年来国际微藻制氢领域的研究现状做一介绍,并展望其发展趋势。l微藻光合作用产氢的机理微藻靠光合作用固定Co2来维持生长,同时在光合作用过程中会分解水放出02。光合作用进行时首先利用类囊体膜表面的捕光色素吸收光能,吸收的光能传递到光系统的反应中心后将水分解为h+(质子)和o2,并释放电子(太阳能被固定)。随后电子在类囊体膜电子传递链上按一定次序进行传递,在经过以细胞色素b6f复合体和光系统I(PhotosystemD为主的一系列电子传递体后,传递给铁氧还蛋白,并进一步还原NADP+产生NADPH(还原力)。在电子传递过程中会把细胞质(蓝藻)或叶绿体基质(绿藻)中的『跨膜运输到类囊体腔中,形成一定的质子梯度。类囊体腔中的质子经过位于类囊体膜上的atp合成酶转运回细胞质或基质中时偶联产生atp。在蓝藻和绿藻中,电子在传给Fd后可能不传给NADP+,而传给H+并将其还原为H2。微藻细胞中参与氢代谢的酶主要有三类:固氮酶、吸氢酶和可逆氢酶。这三种酶均存在于蓝藻中,而绿藻中则只发现有可逆氢酶。固氮酶可能存在于所有的蓝藻中,它在固定氮气产生氨的同时接收从Fd传过来的电子还原H+产生H2。Fd的电子来源可能有两条途径[14](图1A):一条是经过光合电子传递链由PSI传来的,另一条可能是经过磷酸戊糖途径和FD-NADP氧化还原酶传来的。蓝藻制氢时一般充氩气,这是因为当有氩气存在时,不存在固氮酶的底物N2,因此固氮酶就将所有的电子用来产氢了[23]。固氮酶产氢过程会浪费掉大量的能量这对藻细胞本身是不利的。为防止能量的浪费,蓝藻进化出了相应的机制。蓝藻细胞中还存在吸氢酶,可以通过重新吸收固氮酶产生的H2回收部分能量[14](图IA)。由于吸氢酶的存在,尽管避免了细胞本身的能量损失,但却导致蓝藻的净产氢量不高。可逆氢酶存在于蓝藻和绿藻中,但在两类藻中的可逆氢酶是不同的。蓝藻的类囊体膜上同时存在光合电子传递链和呼吸电子传递链,其中复合体I位于两种电子传递链的交接处。复合体I既可以参与围绕PSI的环式电子传递,又可以被从质体醌来的回传电子流还原,同时还可以在呼吸作用中接收从NAD(P)H传来的电子然后传给PQ。蓝藻中的可逆氢酶就与复合体I结合在一起,可能对调节电子流的分配起重要作用(图lB)。如当光反应比暗反应快得多或PS2的运转速度超过Psl(PQ库被还原)时,过多的电子可能会传给可逆氢酶通过放氢而将多余的电子消耗掉,从而避免了对细胞本身的损伤。反之,当电子传递链缺乏电子时,可逆氢酶可能会通过氧化氢释放电子起到暂时的救急作用。绿藻的可逆氢酶存在于叶绿体基质中,既可以接收从光合电子传递链上的Fd传来的电子还原质子产生H2,又可以氧化H2释放电子给PQ进人光合电子传递链(图1C)。另外,在厌氧环境下,绿藻中葡萄糖和乙酸等发酵释放的电子不能完全被呼吸电子传递链消耗掉,而Calvin循环又不能运转,导致发酵放出的电子可能在NAD(p)H-PQ氧化还原酶的作用下经过PQ库进人电子传递链,然后经过Psl和Fd传给可逆氢酶。2微藻制氢的限制因素尽管近年来微藻光合作用制氢研究取得了一定进展,也进行了一些大规模培养尝试,但仍不能达到产业化生产的要求。这主要由于下列限制因素。首先,微藻的产氢量很低。如上所述,微藻的氢代谢实际上是对藻细胞正常生理代谢特别是光合作用的一种调控机制,在正常清况下,Fd得到的电子传递给NADP+,微藻产氢量很低甚至不产氢。只有在特殊条件下(厌氧或黑暗等)电子才传递给H+。其次,固氮酶和可逆氢酶对氧十分敏惑。在蓝藻中,至今仍未发现固氮作用和光合作用可以在同一个细胞中同时进行,它们总是在空间上(如许多蓝藻中存在异形胞进行固氮作用)或时间上(在某些不含异形胞的蓝藻中)是分离的。可逆氢酶在有氧条件下其活性完全丧失,只有在无氧或低氧条件下才发挥活性。由于微藻产氢过程和光合作用紧密偶联,导致光合作用放出的氧极大的限制了微藻的产氢效率。第三,微藻的吸氢酶系统会回收放出的氢。为了避免由于放氢而造成的能量损失,吸氢酶(蓝藻)或可逆氢酶(蓝藻和绿藻)会回收部分放出的氢,这有利于细胞的生存,但不利于微藻制氢。第四,微藻的太阳能转化效率太低。微藻光合作用制氢的太阳能转化率必须接近10%才能进行工业化生产,但在全日照下,光系统吸收的太阳能能有约90%以热或荧光的形式散发掉了,导致太阳能的转化效率很低[2l]。光合作用研究的核心问题就是提高光合效率,这也是微藻制氢研究的核心问题之一。第五,光生物反应器的研制仍未成熟。反应器对光能的有效利用,H2和O2的有效分离,物理(如光质等)、化学(各种营养盐)和生物因子(微藻种类、细胞密度等)在反应器中对制氢的影响,以及反应器的自动化控制等方面还存在许多问题。特别是大规模培养时的“自屏蔽问题”仍未得到解决。3高效放氢藻株的筛选和构建微藻光合作用制氢的第一阶段需要得到具有高效放氢活性的藻株,但野生型的藻株往往达不到这个要求。这就需要对合适的藻株进行分子改造,使之能够达到产业化制氢的要求。微藻产氢和光合作用的调控非常复杂,其调控机制难以在短期内阐明,因此利用经典遗传学的诱变/筛选步骤来选育藻株是切实可行的。可以从自然界或藻种库中筛选具有放氢活性的藻株,进而对筛选到的藻株和现有藻株进行诱变筛选,得到具有较高产氢效率或耐氧的突变株。如近来有人筛选到了耐氧的莱茵衣藻突变株,其产氢量大大提高。利用基因工程方法对放氢藻株进行改造也是一种捷径,如利用基因改造得到了鱼腥藻吸氢酶缺失突变株AMC414,其放氢活性也得到显著提高。但由于放氢调控机制还未完全阐明,因此进行分子改造有一定难度。由于固氮酶或放氢酶活幽寸氧极为敏惑,因此需要在深人阐明酶结构和克隆酶基因的基础上对酶进行改造或修饰,以提高其耐氧性和放氢活性。目前的研究热点集中在氢酶上。根据酶活性中心的金属组成,氢酶可以分为三类:【Fe】一氢酶【NiFe】氢酶和不含金属的氢酶。蓝藻中的可逆氢酶和吸氢酶均属于【NiFe】氢酶,绿藻中的可逆氢酶属于【nife】或【fe】氢酶,而在藻类中未发现不含金属的氢酶。由于【fe】一氢酶活性显著高于另两种氢酶,因此受到了广泛关注。在对氢酶进行改造或修饰之前,首先需要深人了解其结构和基因组成,这部分工作正在进行中。微藻光合效率的提高是提高产氢效率的重要保障。入射到地球表面的太阳能只有很小的一部能够被利用,当光强过高时,就会发生光抑制。因此阐明光合作用高效吸能、传能和转能的分子机理和调控机制,以及光损伤和光保护机理,是提高微藻光合作用制氢效率的基础。其中怎样控制微藻在维持生存的前提下使类囊体膜上的电子主要用于产氢是微藻制氢的核心问题之一。如上所述,我们可以得出,筛选放氢藻株和突变株,阐明光合作用产氢的调控机制,然后利用分子生物学方法构建能高效放氢的工程藻,是微藻制氢研究的有效途径。4微藻光合作用制氢的方式利用微藻的光合作用来“生物光解”水制氢大致有三种方式：“直接生物光解”固氮酶放氢和“间接生物光解”，其中“间接生物光解”具有较大开发潜力“直接生物光解’,即直接利用光系统裂解水释放的电子经过Fd传递给氢酶后制氢的过程。由于氢酶活性很决就被裂解水产生的O2抑制,因此这种方法基本上没有工业应用价值。固氮酶放氢利用的往往是具有异形胞的丝状蓝藻,这是因为异形胞创造了一个无氧环境,有利于固氮酶发挥作用。但研究发现这种方法在实验室内的光能转化效率约为1一2%,但在室外大观模培养时低于0.3%,而且异形胞的产生很难控制,因此,这种方法也很难产业化[15]。“间接生物光解’,途径是近年来研究的最多、最有潜力的一种制氢方法。首先在一个反应器中利用藻类的光合作用累积碳水化合物,然后转移到另一个密闭的反应器中黑暗状态下靠藻类的呼吸作用创造一个无氧环境,过一段时间后照光,通过PSI介导的电子传递引起可逆氢酶放氢(这是对绿藻而言,蓝藻是在中放氢,不需要光的诱导,这可能是因为蓝藻的呼吸电子传递链和光合电子传递链均位于类囊体膜上且有密切联系的缘故)。这种方法是近来研究的热点,目前无论是利用基因工程对藻株的改造,外部因子对产氢过程的控制,还是反应器的优化多集中在这种方法上。Melis等(2000)发现硫饥饿对绿藻制氢有极大的促进作用,这已成为微藻制氢研究的最大热点。他们采用“间接生物光解”法,首先正常培养绿藻细胞,使之靠光合作用累积自身所需的碳水化合物;然后将收获的绿藻细胞培养在缺硫的培养基中,此后PS2活性很快丧失,而线粒体的呼吸作用几乎不受影响,导致培养基中的仇逐渐被呼吸作用消耗掉,氢酶活性达到最大,从而得到了较高的产氢量。一段时间再将第二阶段的细胞转移到正常培养基中,重新进人第一阶段,如此周而复始。他们用这种方法得到的产氢速率为2.0~2.5mLH2.L-1.H-1。尽管利用此方法得到的产氢效率尚不足以产业化,但却是个相当有潜力的发展方向。5展望微藻光合作用制氢利用的是来源丰富的水,转化的是‘取之不尽、用之不竭”的太阳能,而氢燃烧的产物是水,这样就形成了“来源于水一回归于水”的循环。微藻生长的碳源是大气中的C02,而微藻呼吸作用释放出的也是CO2,这样也实现了‘碳-碳循环。同时制氢过程中收获的藻体也可以进一步开发利用。因此,可以说微藻光合作用制氢是最理想的产能途径。但是微藻制氢过程还存在厌氧、光能利用率低、产氢量低等缺点,因峪寿要进一步深人研究。今后的研究重点大致可以放在进一步选育高效放氢藻株、阐明放氢调控机制、提高氢酶的耐氧性和催化活性、生物反应器高密度培养等几个阶段。随着近年来微藻制氢技术的迅速发展,我们有理由相信,在全球石油耗竭力打,我们就能用上从这些肉眼看不见的光合生物中放出的氢气。这可能是全球能源危机的最终出路!