崔　寒，邢德峰*

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)a.市政環(huán)境工程學(xué)院；b.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150090）

綜述

光發(fā)酵及微生物電解池制氫研究進(jìn)展*

崔寒a(chǎn),b，邢德峰a,b*

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)a.市政環(huán)境工程學(xué)院；b.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150090）

H2作為21世紀(jì)的新能源已經(jīng)越來越受到人們的重視，是未來能源革命的主要替代化石燃料的主力軍。本文主要探討總結(jié)了光發(fā)酵和微生物電解池這兩種生物制產(chǎn)氫方式在近5年的最新研究進(jìn)展，并對于未來的研究方向給予展望。

生物制氫；光發(fā)酵細(xì)菌；微生物電解

微生物電化學(xué)系統(tǒng)是近10年新發(fā)展起來的一套高效能量產(chǎn)出系統(tǒng)以及一種廢物資源化技術(shù)，可以以較少的能量投入之下，將有機(jī)廢物降解并且生成清潔的能源如H2、甲烷等，這些清潔能源在全球能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改革的浪潮下會逐步的替代現(xiàn)有的以化石燃料為主體的現(xiàn)有模式，并將為人類的繼續(xù)發(fā)展起到不可磨滅的作用。作為一種新型的生物質(zhì)能源技術(shù)，微生物電解池（Microbial Electrolysis Cell，MEC）的建立和發(fā)展離不開微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）。MEC技術(shù)的興起，是源于科學(xué)家們逐漸意識到單純的MFC無法為能源結(jié)構(gòu)革命帶來深刻的影響，所以，能夠在很少電能投入的情況下產(chǎn)生出熱值較高的H2和甲烷，所以此項技術(shù)在最初被人們稱之為“電化學(xué)產(chǎn)氫”或“微生物燃料電池耦連產(chǎn)氫”。通常電解水產(chǎn)氫的電壓為2.1V左右，但是通過這這種方式產(chǎn)氫的電壓只需要0.3～0.9V[1]。

光合細(xì)菌（Photosynthetic Bacteria,簡稱PSB）是地球上出現(xiàn)最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成體系的原核生物，是在厭氧條件下進(jìn)行不放氧光合作用的細(xì)菌的總稱，是一類沒有形成芽孢能力的革蘭氏陰性菌，是一類以光作為能源、能在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用自然界中的有機(jī)物、硫化物、氨等作為供氫體兼碳源進(jìn)行光合作用的微生物[2]。利用自然光照和光合細(xì)菌制氫的方法稱之為光發(fā)酵。本文全面評述了光發(fā)酵和微生物電解制氫國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析它們應(yīng)用前景并給出了相應(yīng)展望。

1　光合細(xì)菌的制產(chǎn)氫原理及相關(guān)研究進(jìn)展

光發(fā)酵被認(rèn)為是一種清潔又高效的能源產(chǎn)生方式。以乙酸鈉為底物時的2～3mol-H2/mol-acetate，能夠達(dá)到50%～75%的氫轉(zhuǎn)化率[3]。目前，研究較多的產(chǎn)氫光合細(xì)菌主要有深紅紅螺菌（Rhodospirillum rubrum）、紅假單胞菌（Rhodopseudomonas）、莢膜紅假單胞菌（Rhodopseudomonas capsulate）、桃紅莢硫菌（Thiocapsa roseopersicina）等[4]。光合細(xì)菌在分類上是屬于原核古生菌，當(dāng)今學(xué)術(shù)界所公認(rèn)的光發(fā)酵及產(chǎn)氫流程主要是：光和細(xì)菌在有機(jī)物提供電子并且有機(jī)物經(jīng)碳代謝提供質(zhì)子的條件下，其菌體內(nèi)的固氮酶能在光能的帶動下，利用激發(fā)態(tài)的電子經(jīng)光合磷酸化作用產(chǎn)出的ATP，將質(zhì)子還原成氫[5]。光合細(xì)菌含有的光合系統(tǒng)PSI吸收光能后，電子供體將電子傳遞到電子傳遞體系，經(jīng)光合反應(yīng)中心，生成一些激發(fā)態(tài)的電子，一部分經(jīng)還原型鐵氧還蛋白傳遞給固氮酶，一部分經(jīng)光合磷酸化產(chǎn)生ATP和NAPH，通過一些醌類、鐵硫蛋白等產(chǎn)生穩(wěn)定的電子流動，使胞外和胞內(nèi)質(zhì)子氫離子產(chǎn)生質(zhì)子梯度，驅(qū)動ATP合成酶合成ATP[6,7]。當(dāng)電子經(jīng)由鐵氧還蛋白運(yùn)送給固氮酶的鐵蛋白后，又進(jìn)一步通過鐵蛋白傳遞到鉬鐵蛋白，有機(jī)物或還原性物質(zhì)被氧化，質(zhì)子被還原成氫氣[8]。

光合細(xì)菌在代謝過程中不會產(chǎn)生O2，而梭菌等其它厭氧微生物在代謝過程中會產(chǎn)生小分子有機(jī)酸，因此，為了提高產(chǎn)H2的效率，可將梭菌和光合細(xì)菌進(jìn)行混合培養(yǎng)[9]。Kawagoshi[10]在研究中以混合酸作為篩選的底物，實驗過程中持續(xù)給予光照，最后分離、純化到一株能夠耐鹽的光發(fā)酵細(xì)菌Rhodobacter sphaeroides KUPB。任南琪等[3]通過純化篩選得到Rhodopseudomonas faecalis RLD-53，得到了當(dāng)?shù)孜餅橐宜猁}時，該菌株的比產(chǎn)氫率最高可達(dá)2.84molH2/mol-acetate，產(chǎn)氫速率最高為32.62mL L·h-1，是一株穩(wěn)定的高效的利用底物并且有著一定的產(chǎn)氫能力的菌株。Lu等[11]用單極室MEC系統(tǒng)實現(xiàn)了乙醇型發(fā)酵產(chǎn)氫。Lu等[12]還在實驗室實現(xiàn)了活性污泥菌群調(diào)控穩(wěn)定產(chǎn)氫，為生物制氫的產(chǎn)業(yè)化做出了積極探索。

劉冰峰等通過將Rhodopseudomonas faecalis-RLD-53和Clostridium butyricum混合培養(yǎng)（R.faecalisRLD-53和C.butyricum的最佳混合比例為600∶1），最大產(chǎn)氫量為122.4mL/發(fā)酵罐，產(chǎn)氫速率可達(dá)到0.5mLH2/mL培養(yǎng)基·天[7]。Wu等將Rhodops eudomonaspalustrisWP3-5和Anabaena sp.CH3混合培養(yǎng)，以醋酸鹽和果糖作為碳源，累積產(chǎn)氫達(dá)到140.8mL，幾乎是它們各自產(chǎn)氫總和的兩倍[13]。此外，將不同種類的光合細(xì)菌混合培養(yǎng)也可以提高產(chǎn)氫量。有研究將德式乳酸桿菌Lactobacillus delbrueckiiNBRC13953和光合細(xì)菌Rhodobacter sphaeroidesRV混合培養(yǎng)，最大產(chǎn)氫速率達(dá)到了7.1mol/mol-glucose[14]。Sun等Clostridiumacidisoli和Rhodobactersphaeroides混合培養(yǎng)，當(dāng)培養(yǎng)基濃度為11.43g·L-1sucrose，培養(yǎng)基初始pH值為7.13，接種量的比值為0.83（Clostridium acidisoli/Rhodobacter sphaeroides）時，最大產(chǎn)氫效率可達(dá)到10.16mol H2/mol-sucrose[15]。混合培養(yǎng)產(chǎn)氫能夠顯著提高產(chǎn)氫量，而且對底物利用率高，因此混合培養(yǎng)產(chǎn)氫在有機(jī)廢水處理方面前景更為廣闊。

2　微生物電解（池）（MEC）技術(shù)研究進(jìn)展

微生物電解（池）反應(yīng)器在原有的微生物燃料電池的空氣陰極處進(jìn)行密封處理，并且在反應(yīng)器的陰陽兩極上加上外加電壓。要形成完整的一套能夠產(chǎn)氫的微生物電解池系統(tǒng)，不僅需要外電源、外導(dǎo)線及反應(yīng)器和陰陽極、電阻，更重要的是要有電壓采集器來采集外電阻兩端的電壓[16]。在反應(yīng)器的陽極上面有產(chǎn)電微生物一層生物膜，利用反應(yīng)器溶液中的有機(jī)物質(zhì)作為碳源。有文獻(xiàn)指MEC系統(tǒng)的最大能量效率可達(dá)300%左右[17-21]。表1是不同構(gòu)型，底物，陰、陽極材料的MEC反應(yīng)器特點歸納。

表1　不同類別的MEC反應(yīng)器性能指標(biāo)及特點Tab.1MEC reactor performance indicators and characteristics in different categories

當(dāng)前，關(guān)于微生物電解池系統(tǒng)的相關(guān)研究有的涉及到優(yōu)質(zhì)菌種的篩選，也有針對點擊材料的優(yōu)化方面研究，甚至有研究人員利用MEC來降解[26]難降解的物質(zhì)、反應(yīng)器設(shè)計構(gòu)造的優(yōu)化以及篩選一些實驗條件下的最優(yōu)底物等[27]。

微生物電解池的陽極材料一般為碳纖維組成的碳刷，也有運(yùn)動碳纖維組成的碳布，陰極材料有生物膜陰極、鉑碳催化劑陰極、活性炭催化劑陰極、管狀碳涂層陰極等。

鉑碳催化劑電極是相對功率密度較高的一種陰極材料，這種材料導(dǎo)電效果好，相對于其他貴金屬更利于獲得等優(yōu)點。但是也存在著造價較貴、在復(fù)雜環(huán)境中抵抗沖擊能力較差、制作過程較為復(fù)雜等缺點?；钚蕴坎讳P鋼網(wǎng)滾壓陰極是近年來新發(fā)明的一種陰極材料，它的構(gòu)造是先將炭黑與PTFE（聚四氟乙烯）混合滾壓制造出厚度0.5mm表面光滑致密的陰極空氣擴(kuò)散層，再將活性炭與PTFE（聚四氟乙烯）混合滾壓制造出厚度0.5mm的催化層，再將兩層分別滾壓到不銹鋼網(wǎng)的兩面上，制成了活性炭為催化劑的陰極，獲得了滿意的產(chǎn)氫效率[23]。

3　結(jié)論與展望

通過上述文獻(xiàn)評述，可以得出以下結(jié)論：

（1）光發(fā)酵和微生物電解（池）均可以作為生物質(zhì)制氫的基本方法；

（2）能量轉(zhuǎn)化問題仍是研究的重點并在逐步完善和解決中；

（3）微生物電解池技術(shù)在生物制氫方向上優(yōu)勢更明顯。

基于上述結(jié)論，未來的發(fā)展方向可以有如下幾點：（1）優(yōu)化接種物菌群結(jié)構(gòu)，通過生物或化學(xué)手段誘變處理或基因工程手段定向篩選優(yōu)化產(chǎn)電或者產(chǎn)氫優(yōu)勢菌株接入到反應(yīng)器當(dāng)中；（2）優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化陰、陽極材料的性能，這樣就可以最終進(jìn)一步降低微生物電解池的能耗以及造價和運(yùn)行費用。通過這些努力，使得這項技術(shù)能夠大規(guī)模廣泛投入商業(yè)化運(yùn)行成為可能。

［1］Lu L, Xing D, Xie T, et al. Hydrogen production from proteins viaelectrohydrogenesis in microbial electrolysis cells［J］. Biosensors andBioelectronics. 2010, 25（12）: 2690- 2695.

［2］張全國，王毅.光合細(xì)菌生物制氫技術(shù)研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報.2013，（6）:156-161.

［3］Ren N, Liu B, Ding J, et al. Hydrogen production with R. faecalis RLD- 53 isolated fromfreshwater pond sludge［J］. Bioresource Technology.2009, 100（1）: 484- 487.

［4］茍維超.產(chǎn)氫光合細(xì)菌的篩選鑒定及其氫酶的系統(tǒng)發(fā)育分析［D］.西北農(nóng)林科技大學(xué),2013.

［5］鄧平，費良潤，劉雪梅.光合細(xì)菌產(chǎn)氫機(jī)制研究進(jìn)展［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).2008（15）:6184-6186.

［6］Zinth W,Kaiser W.4-Time-Resolved Spectroscopyofthe Primary Electron Transfer in Reaction Centers of Rhodobacter sphaeroides and Rhodopseudomonas viridis A2-Deisenhofer,Johann［M］. Photosynthetic Reaction Center,Norris J R,San Diego:Academic Press,1993.71-88.

［7］劉冰峰.光發(fā)酵細(xì)菌的選育及其與暗發(fā)酵細(xì)菌耦合產(chǎn)氫研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

［8］Ren N, Liu B, Ding J, et al. The effect of butyrate concentration on photo- hydrogen production from acetate by Rhodopseudomonas faecalisRLD- 53［J］. International Journal ofHydrogen Energy，2008,33（21）: 5981- 5985.

［9］Lu L,XingD,Liu B,et al.Enhanced hydrogen production fromwaste activated sludge bycascade utilization oforganic matter in microbial electrolysiscells［J］.WaterResearch，2012,46（4）:1015-1026.

［10］Kawagoshi Y,Oki Y,Nakano I,et al.Biohydrogen production by isolated halotolerant photosynthetic bacteria using long-wavelength light-emitting diode（LW-LED）［J］.International Journal ofHydrogen Energy，2010,35（24）:13365-13369.

［11］Lu L,Ren N,Xing D,et al.Hydrogen production with effluent froman ethanol-H2-coproducingfermentation reactor usinga single-chamber microbial electrolysis cell［J］.Biosensors and Bioelectronics.2009,24（10）:3055-3060.

［12］Lu L,Xing D,Ren N.Pyrosequencing reveals highly diverse microbial communities in microbial electrolysis cells involved in enhanced H2production fromwaste activated sludge［J］.Water Research，2012,46（7）:2425-2434.

［13］Wu S C,Lu P F,Lin Y C,et al.Bio-hydrogen production enhancement byco-cultivatingRhodopseudomonas palustris WP3-5 andAnabaenasp.CH3［J］.InternationalJournalofHydrogen Energy，2012,37（3）:2231-2238.

［14］Asada T,Chen P,Chiarella C,et al.Keynesian dynamics and the wage price spiral:A baseline disequilibrium model［J］.Journal of Macroeconomics，2006,28（1）:90-130.

［15］Sun Q,XiaoW,Xi D,et al.Statistical optimization of biohydrogen production from sucrose by a co-culture of Clostridium acidisoli and Rhodobacter sphaeroides［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2010,35（9）:4076-4084.

［16］黃寶興，李蘭生，趙亮，等.固定化海洋光合細(xì)菌處理生活污水的研究［J］.海洋湖沼通報，2006，（2）:69-74.

［17］鄭耀通，吳小平，高樹芳.光合細(xì)菌處理高濃度黃泔水試驗研

究［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2002（03）:393-397.

［18］路璐.生物質(zhì)微生物電解池強(qiáng)化產(chǎn)氫及陽極群落結(jié)構(gòu)環(huán)境響應(yīng)［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

［19］蔡偉偉.MEC電化學(xué)體系與WAS厭氧消化體系耦合產(chǎn)能的初步探究［D］.遼寧大學(xué),2014.

［20］Call D F,Logan B E.A method for high throughput bioelectrochemical research based on small scale microbial electrolysis cells［J］.Biosensors and Bioelectronics，2011,26（11）:4526-4531.

［21］RagoL,Ruiz Y,Baeza J A,et al.Microbial community analysis in a long-termmembrane-less microbial electrolysis cell with hydrogen and methane production［J］.Bioelectrochemistry，2015,106, Part B:359-368.

［22］Call D F,Merrill M D,Logan B E.High Surface Area Stainless Steel Brushes as Cathodes in Microbial Electrolysis Cells［J］.Environmental Science&Technology，2009,43（6）:2179-2183.

［23］Ditzig J,Liu H,Logan B.Production of hydrogen from domestic

wastewater using a bioelectrochemically assisted microbial reactor（BEAMR）［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2007, 32（13）:2296-2304.

［24］Chae K,Choi M,Lee J,et al.Biohydrogen production via biocatalyzed electrolysis in acetate-fed bioelectrochemical cells and microbial community analysis［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2008,33（19）:5184-5192.

［25］Rozendal R A,Hamelers H V M,Molenkamp R J,et al.Performance of single chamber biocatalyzed electrolysis with different types of ion exchange membranes［J］.Water Research.2007,41（9）:1984-1994.

［26］胥騰飛.基于木質(zhì)纖維同步酶解的微生物電解池產(chǎn)氫過程中傳輸與反應(yīng)特性［D］.重慶大學(xué),2014.

［27］賈建娜.微生物電化學(xué)系統(tǒng)處理食物殘渣與能源回收［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

Progress of biological hydrogen production by photo-fermentation and Microbial Electrolysis*

CUI Hana，b，XING De-fenga，b
（a.School of Municipal and Environmental Engineering;b.State Key Laboratory of Urban Water Resources and Water Environment,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China）

Hydrogen as a new energy source in the 21st century has been paid more and more attention.It is the main force to substitute fossil fuels for future energy revolution.In this paper,the latest research progresses of the bio-hydrogen producing ways of photo-fermentation and microbial electrolytic cell in recent 5 years are summarized and the future research directions are prospected.

biological hydrogen production；photosynthetic bacteria；microbial electrolysis

TQ91

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20161149

2016-06-02

國家優(yōu)秀青年基金

崔寒（1991-），男，在讀博士研究生，研究方向：廢水生物處理與資源化。

導(dǎo)師簡介：邢德峰（1978-），男，教授，博導(dǎo)，研究方向：廢水生物處理與資源化。