自然空气条件下全细胞催化光生物学制氢
发布时间：2021-08-31 08:34
氢气由于其存储能量高,并且反应的最终产物仅仅是水,因此是一种绿色的、环境友好的、最为理想的可用于替代化石燃料的能源物质。然而目前,可供于商业应用的氢气仍然是来源于天然气重整或者甲烷蒸汽重整,而这种制氢方式依然需要化石能源的消耗,所以无法实现纯绿色、零碳元素排放的氢能源的本质要求。在一系列新兴发展的制氢方法当中,光生物学制氢,因为其具有直接利用太阳能作为能量来源,和利用可再生的生物酶、生物体作为催化剂的优势,所以是最具有应用前景的、可持续发展的制氢方法。本论文构建了两种具体的光生物学制氢体系,然后研究了它们各自产生氢气的能力,以及分析了它们内在的氢气生成原理。第一部分:莱茵衣藻自然空气条件下光生物学制氢,为第二章。第二章中,我们使用莱茵衣藻作为全细胞催化剂,并通过引入一个具有强劲氧气消除能力的,同时还能够维持体系p H的化学-酶级联反应,从而实现了在自然空气条件下持续光生物学制氢。莱茵衣藻之所以能够产生氢气是因为其在厌氧环境下能够表达一种具有高效催化氢气生成的铁铁氢酶,铁铁氢酶催化氢气生成首先需要厌氧环境,其次需要合适的pH条件,因此确保培养体系维持在一个适宜pH的厌氧环境是莱茵衣藻高效...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市
【文章页数】：106 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
H2@scale示意图(Ruth et al.,2019)
光生物学制氢,是指利用自然界存在的,能够进行光合作用的微生物利用太阳能制备氢气的技术手段。通常能用于光生物制氢系统的微生物至少需要满足两个要求:一,具有光合系统,以能够利用光能;二,具有产生氢气的能力,能够表达氢化酶和/或氮化酶,或者其它一种或多种能够催化产生氢气反应的酶。因此,光生物制氢过程是通过微生物利用太阳光中的能量将水(或有机物)分解而进一步产生氢气。光生物学制氢的具体过程是:微生物(例如绿藻或蓝细菌)利用太阳能通过光系统Ⅱ将水分解为氧气、质子、以及自由电子。然后,自由电子经过细胞内电子传递链传递到氢化酶(也可以是其它能够利用电子催化氢气生成的酶),接着,氢酶利用电子还原质子生成氢气(Sun et al.,2019)。此外,光生物学制氢还包括光酵解制氢途径,光酵解途径是指而光合微生物利用太阳能作为驱动力来分解有机物而释放出氢气的过程(Lakatos et al.,2014),通常具体过程是:有机物被微生物分解产生自由电子,然后自由电子经过光系统Ⅰ充能而进入光合作用电子传递链,最终实现氢气产生。光酵解制氢途径的氢气生成速率很低,太阳能转化效率也很低,因此仅仅作为主流光生物学制氢的自然伴随发生途径,而不是作为主要的设计研发途径(Asada and Miyake,1999;Melis and Melnicki,2006;Skjanes et al.,2016)。光生物学制氢无论是从能量来源角度还是反应原理角度都是最具有前景的制氢工艺手段(图1.2),其直接利用太阳能作为能量来源,使用可再生的生物体作为催化剂,此外,零温室气体排放和可以大规模制备等特点都是该体系的先天优势,尤其是所使用的藻类和细菌可以利用那些不能生活饮用或者不能农业灌溉的污水,甚至还可以是废水来制备氢气,因此其具有无可比拟的环境友好性和可持续发展性(Nagarajan et al.,2017;Sun et al.,2019)。然而目前,光生物学制氢仍处于早期研究阶段,其中最大的限制因素是光合作用不可避免的会产生氧气,而氧气会迅速地抑制光生物学氢气产生(Eroglu and Melis,2011),因此这是亟待解决的问题。此外,生物光系统利用光能的效率普遍不高(Kornienko et al.,2018),只有通过大规模培养才能产生足够量的氢气,因此光生物学制氢的实际应用面临着诸多挑战,对此,一系列的解决方案和发展方向也被针对性地提出,例如改善产生氢气的酶的活性以及优化利于氢气产生的代谢途径,研发出可以有效利用光能和能够在氧气条件下产生氢气的菌株,以实现光生物学制氢体系能够长时间产生氢气并且具有较高的氢气生成效率。
为了解决以上问题和满足以上要求,本论文发展了一种能够在自然空气条件下全细胞催化光生物学制氢的体系,在这个体系中为了确保既能长时间有效地消耗体系中的氧气,又不影响绿藻和光系统Ⅱ的活性,我们选择了第一类绿藻制氢的策略,即是添加额外的除氧物质来形成能够产生氢气的厌氧环境,考虑到葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶是一对常用的除氧酶级联体系,其能够快速地消耗掉体系中的氧气,并且已经被广泛地应用到食品或者轻工业等领域除氧相关的工作(Dubey et al.,2017;Mueller et al.,2009),因此使用葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶的酶级联来去除绿藻光照培养体系中的氧气,完全能够满足大规模商业化应用的要求,然而,葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶酶级联催化葡萄糖与氧气反应后生成的葡萄糖酸会引起体系的pH降低,而氢酶催化氢气生成的最佳pH是在中性附近(Roessler and Lien,1982),为此则必须再额外加入一种能够消耗葡萄糖酸所解离出来的质子的物质来稳定体系pH。此外,再结合绿藻聚集体内部能够通过自身细胞呼吸作用而形成厌氧环境的思路,我们选择了一种绿藻无机絮凝剂——氢氧化镁(Huo et al.,2016;Vandamme et al.,2015)来实现既能够中和葡萄糖酸所解离出来的质子又能够诱导绿藻絮凝从而起到双功能协同作用。在加入氢氧化镁之后,葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶酶级联的产物——葡萄糖酸可以自发地与氢氧化镁发生反应,从而形成一个化学-酶级联反应(Garcia-Junceda et al.,2015),所得到的这个化学-酶级联反应既能快速有效地消耗掉绿藻培养体系中的氧气,又能维持体系pH在近中性条件,此外还能诱导绿藻絮凝形成明显的绿藻絮凝物,从而能够达成长期高效的持续光生物学制氢的目的(图2.1)。重要的是,使用这个体系绿藻光生物学制氢,只需要在一个密闭的透明培养容器里加入常规培养基培养的绿藻和以上化学-酶级联反应所需要的物质组分,即葡萄糖,葡萄糖氧化酶,过氧化氢酶,以及氢氧化镁,然后密封容器,放置在恒温光照的外界培养条件下即可进行光生物学制氢。整个制备过程简单易行,所需要的原材料也都全部适合大规模商业化应用,因此这个体系只要能实现长期高效地持续产生氢气,就有望应用于实际商业化规模的氢气生产制备。为了实验验证所设计的体系切实可行,我们选择了莱茵衣藻作为体系中的全细胞生物催化剂,制备了一个具体的长时间高效的持续光生物学制氢体系。2.2 实验部分
【参考文献】：
期刊论文
[1]氢安全研究现状及面临的挑战[J]. 郑津洋,刘自亮,花争立,顾超华,王赓,陈霖新,张一苇,朱盛依,韩武林. 安全与环境学报. 2020(01)
[2]2019年中国氢能政策、产业与科技发展热点回眸[J]. 孟翔宇,顾阿伦,邬新国,刘滨,何朝晖,毛宗强. 科技导报. 2020(03)
[3]国际氢供应链与氢贸易的储运技术支撑[J]. 单彤文,宋鹏飞,李又武,侯建国,王秀林,张丹. 现代化工. 2020(01)
[4]国内燃料电池电堆技术进展综述[J]. 许德超,赵子亮,赵洪辉,盛夏,金守一. 汽车文摘. 2020(01)
[5]日本推进电动汽车发展的政策措施[J]. 石红,吴松泉,李奕平,霍潞露,王佳. 汽车纵横. 2019(12)
[6]全球氢能产业:现状及未来[J]. 张欢欢,曲双石,钟财富. 中国投资(中英文). 2019(15)
[7]世界主要国家氢能发展规划综述[J]. 吴善略,张丽娟. 科技中国. 2019(07)
[8]日本的“氢能源基本战略”与全球气候治理[J]. 毕珍珍. 国际论坛. 2019(02)
[9]《中国氢能源及燃料电池产业发展研究报告》发布[J]. 才秀敏. 电器工业. 2018(12)
[10]日本家用燃料电池热电联供系统商业化应用分析[J]. 蒙浩,吕泽伟,韩敏芳. 中外能源. 2018(10)
本文编号：3374578
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市
【文章页数】：106 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
H2@scale示意图(Ruth et al.,2019)
光生物学制氢,是指利用自然界存在的,能够进行光合作用的微生物利用太阳能制备氢气的技术手段。通常能用于光生物制氢系统的微生物至少需要满足两个要求:一,具有光合系统,以能够利用光能;二,具有产生氢气的能力,能够表达氢化酶和/或氮化酶,或者其它一种或多种能够催化产生氢气反应的酶。因此,光生物制氢过程是通过微生物利用太阳光中的能量将水(或有机物)分解而进一步产生氢气。光生物学制氢的具体过程是:微生物(例如绿藻或蓝细菌)利用太阳能通过光系统Ⅱ将水分解为氧气、质子、以及自由电子。然后,自由电子经过细胞内电子传递链传递到氢化酶(也可以是其它能够利用电子催化氢气生成的酶),接着,氢酶利用电子还原质子生成氢气(Sun et al.,2019)。此外,光生物学制氢还包括光酵解制氢途径,光酵解途径是指而光合微生物利用太阳能作为驱动力来分解有机物而释放出氢气的过程(Lakatos et al.,2014),通常具体过程是:有机物被微生物分解产生自由电子,然后自由电子经过光系统Ⅰ充能而进入光合作用电子传递链,最终实现氢气产生。光酵解制氢途径的氢气生成速率很低,太阳能转化效率也很低,因此仅仅作为主流光生物学制氢的自然伴随发生途径,而不是作为主要的设计研发途径(Asada and Miyake,1999;Melis and Melnicki,2006;Skjanes et al.,2016)。光生物学制氢无论是从能量来源角度还是反应原理角度都是最具有前景的制氢工艺手段(图1.2),其直接利用太阳能作为能量来源,使用可再生的生物体作为催化剂,此外,零温室气体排放和可以大规模制备等特点都是该体系的先天优势,尤其是所使用的藻类和细菌可以利用那些不能生活饮用或者不能农业灌溉的污水,甚至还可以是废水来制备氢气,因此其具有无可比拟的环境友好性和可持续发展性(Nagarajan et al.,2017;Sun et al.,2019)。然而目前,光生物学制氢仍处于早期研究阶段,其中最大的限制因素是光合作用不可避免的会产生氧气,而氧气会迅速地抑制光生物学氢气产生(Eroglu and Melis,2011),因此这是亟待解决的问题。此外,生物光系统利用光能的效率普遍不高(Kornienko et al.,2018),只有通过大规模培养才能产生足够量的氢气,因此光生物学制氢的实际应用面临着诸多挑战,对此,一系列的解决方案和发展方向也被针对性地提出,例如改善产生氢气的酶的活性以及优化利于氢气产生的代谢途径,研发出可以有效利用光能和能够在氧气条件下产生氢气的菌株,以实现光生物学制氢体系能够长时间产生氢气并且具有较高的氢气生成效率。
为了解决以上问题和满足以上要求,本论文发展了一种能够在自然空气条件下全细胞催化光生物学制氢的体系,在这个体系中为了确保既能长时间有效地消耗体系中的氧气,又不影响绿藻和光系统Ⅱ的活性,我们选择了第一类绿藻制氢的策略,即是添加额外的除氧物质来形成能够产生氢气的厌氧环境,考虑到葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶是一对常用的除氧酶级联体系,其能够快速地消耗掉体系中的氧气,并且已经被广泛地应用到食品或者轻工业等领域除氧相关的工作(Dubey et al.,2017;Mueller et al.,2009),因此使用葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶的酶级联来去除绿藻光照培养体系中的氧气,完全能够满足大规模商业化应用的要求,然而,葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶酶级联催化葡萄糖与氧气反应后生成的葡萄糖酸会引起体系的pH降低,而氢酶催化氢气生成的最佳pH是在中性附近(Roessler and Lien,1982),为此则必须再额外加入一种能够消耗葡萄糖酸所解离出来的质子的物质来稳定体系pH。此外,再结合绿藻聚集体内部能够通过自身细胞呼吸作用而形成厌氧环境的思路,我们选择了一种绿藻无机絮凝剂——氢氧化镁(Huo et al.,2016;Vandamme et al.,2015)来实现既能够中和葡萄糖酸所解离出来的质子又能够诱导绿藻絮凝从而起到双功能协同作用。在加入氢氧化镁之后,葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶酶级联的产物——葡萄糖酸可以自发地与氢氧化镁发生反应,从而形成一个化学-酶级联反应(Garcia-Junceda et al.,2015),所得到的这个化学-酶级联反应既能快速有效地消耗掉绿藻培养体系中的氧气,又能维持体系pH在近中性条件,此外还能诱导绿藻絮凝形成明显的绿藻絮凝物,从而能够达成长期高效的持续光生物学制氢的目的(图2.1)。重要的是,使用这个体系绿藻光生物学制氢,只需要在一个密闭的透明培养容器里加入常规培养基培养的绿藻和以上化学-酶级联反应所需要的物质组分,即葡萄糖,葡萄糖氧化酶,过氧化氢酶,以及氢氧化镁,然后密封容器,放置在恒温光照的外界培养条件下即可进行光生物学制氢。整个制备过程简单易行,所需要的原材料也都全部适合大规模商业化应用,因此这个体系只要能实现长期高效地持续产生氢气,就有望应用于实际商业化规模的氢气生产制备。为了实验验证所设计的体系切实可行,我们选择了莱茵衣藻作为体系中的全细胞生物催化剂,制备了一个具体的长时间高效的持续光生物学制氢体系。2.2 实验部分
【参考文献】：
期刊论文
[1]氢安全研究现状及面临的挑战[J]. 郑津洋,刘自亮,花争立,顾超华,王赓,陈霖新,张一苇,朱盛依,韩武林. 安全与环境学报. 2020(01)
[2]2019年中国氢能政策、产业与科技发展热点回眸[J]. 孟翔宇,顾阿伦,邬新国,刘滨,何朝晖,毛宗强. 科技导报. 2020(03)
[3]国际氢供应链与氢贸易的储运技术支撑[J]. 单彤文,宋鹏飞,李又武,侯建国,王秀林,张丹. 现代化工. 2020(01)
[4]国内燃料电池电堆技术进展综述[J]. 许德超,赵子亮,赵洪辉,盛夏,金守一. 汽车文摘. 2020(01)
[5]日本推进电动汽车发展的政策措施[J]. 石红,吴松泉,李奕平,霍潞露,王佳. 汽车纵横. 2019(12)
[6]全球氢能产业:现状及未来[J]. 张欢欢,曲双石,钟财富. 中国投资(中英文). 2019(15)
[7]世界主要国家氢能发展规划综述[J]. 吴善略,张丽娟. 科技中国. 2019(07)
[8]日本的“氢能源基本战略”与全球气候治理[J]. 毕珍珍. 国际论坛. 2019(02)
[9]《中国氢能源及燃料电池产业发展研究报告》发布[J]. 才秀敏. 电器工业. 2018(12)
[10]日本家用燃料电池热电联供系统商业化应用分析[J]. 蒙浩,吕泽伟,韩敏芳. 中外能源. 2018(10)
本文编号：3374578
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