張安龍， 王 曄， 王雪青， 黃昱杰， 劉佳偉

(1.陜西科技大學 環(huán)境科學與工程學院， 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學 輕工科學與工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

能源危機和環(huán)境污染迫使人們?nèi)ふ噎h(huán)保、可再生的替代能源[1].氫能是一種高效、清潔、可持續(xù)的“無碳”能源，在地球上有巨大的蘊藏量[2,3].目前，制備氫氣的方法主要有化石燃料制氫、電解水制氫、甲醇轉(zhuǎn)化制氫和生物制氫[4]，而生物制氫由于其成本低廉、原料豐富、適應性好、底物轉(zhuǎn)化率高以及產(chǎn)物純度高的特點具有廣闊的發(fā)展前景[5-7].農(nóng)業(yè)廢棄物含有豐富的纖維素類生物質(zhì)，如秸稈等.我國是農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物超過10億噸，其綜合利用率不到50%[8]，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生物制氫具有顯著的優(yōu)勢，可以在提供清潔能源的同時，幫助滿足二氧化碳減排的需要，并實現(xiàn)廢物處理的目的[9].此方法操作簡便，成本低，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，被認為是最有發(fā)展前途的制氫方法之一.光合細菌作為光發(fā)酵的一種產(chǎn)氫菌種，可以在光照厭氧條件下利用光能進行光合作用，具有較高的產(chǎn)氫得率和產(chǎn)氫速率.目前已知的產(chǎn)氫光合細菌主要有深紅紅螺菌、莢膜紅假單胞菌、沼澤紅假單胞菌、類球紅細菌和莢膜紅細菌.隨著對光合細菌產(chǎn)氫機理的深入研究，光合細菌光發(fā)酵制氫已逐漸由理論研究轉(zhuǎn)向工程化應用技術(shù)研究.同時，利用秸稈類生物質(zhì)制氫是可再生能源領(lǐng)域中的一個熱點研究課題[10,11].傳統(tǒng)的光合細菌處理生物質(zhì)的方法多采用暗發(fā)酵-光發(fā)酵兩步法制氫，其工藝流程復雜，工程化難度大[12].用光發(fā)酵一步法代替暗-光兩步法耦合制氫，可省去對暗發(fā)酵廢液的中間處理環(huán)節(jié)，去除了暗發(fā)酵廢液對光發(fā)酵的銨抑制效應，在降低成本的同時，使工藝流程大大簡化.

造紙廢水中有大量纖維素和半纖維素等物質(zhì)的降解產(chǎn)物，所以本文以造紙污泥為研究對象，從中分離篩選高效產(chǎn)氫光合細菌并進行以葡萄糖為底物碳源的產(chǎn)氫優(yōu)化實驗，對比其利用秸稈解聚液的產(chǎn)氫能力，旨在為光合細菌直接利用有機農(nóng)業(yè)廢棄物的一步法產(chǎn)氫研究提供菌種來源和科學數(shù)據(jù).

1 實驗部分

1.1 菌種來源

用于分離篩選產(chǎn)氫光合細菌的活性污泥來自于陜西省某造紙廠的廢水處理段，污泥呈絮狀、結(jié)構(gòu)比較松散，黑色，有不良氣味，并長期受日光照射，是分離光合細菌的良好來源.

1.2 培養(yǎng)基

(1)富集培養(yǎng)液[13]：蛋白胨3 g/L，酵母粉3 g/L，MgCl2·7H2O 0.15 g/L，CaCl20.1 g/ L.

(2)產(chǎn)氫培養(yǎng)液：葡萄糖5 g/L，L-谷氨酸0.88 g/L，10% NaCl 10 mL，營養(yǎng)液(次氮基三乙酸10.0 g，MgSO4·7H2O 29.5 g，CaCl2·2H2O 3.335 g，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.099 g，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.009 3 g，微量元素液50 mL，蒸餾水950 mL)20 mL/L，滅菌后加入磷酸鹽緩沖溶液(KH2PO468.05 g，K2HPO487.09 g，蒸餾水1 000 mL)20 mL/L，維生素溶液(煙酸0.1 mg/mL，煙酸硫胺0.05 mg/mL，生物素1 ug/mL)10 mL/L.

(3)固體培養(yǎng)基：在液體培養(yǎng)基中加入2%的瓊脂粉.

1.3 實驗方法

1.3.1 光合細菌的富集分離及篩選

(1)富集：取活性污泥2 g置于無菌注射器中，添加滅菌后的富集培養(yǎng)液20 mL，與泥樣震蕩混勻，用膠管和止水夾封口以隔絕空氣.將注射器置于光照培養(yǎng)箱中，在光照度4 000 lx左右，溫度30 ℃條件下進行培養(yǎng)，當培養(yǎng)液變?yōu)榧t色時，從中取出1 mL菌液，轉(zhuǎn)接入20 mL新鮮無菌富集培養(yǎng)液中，在相同培養(yǎng)條件下厭氧培養(yǎng)至培養(yǎng)液變?yōu)榧t色為止，此時得到富集后的菌體培養(yǎng)液.

(2)純化：取1 mL的菌體培養(yǎng)液用無菌水按10-1～10-10梯度稀釋，分別取0.1 mL懸浮液于固體培養(yǎng)基平板進行涂布分離操作，將培養(yǎng)皿倒置于密封培養(yǎng)罐后放入光照培養(yǎng)箱中，在光照度4 000 lx左右，溫度30 ℃條件下厭氧培養(yǎng).當平板上長出單菌落，挑取不同特征的單個紅色菌落重復劃線分離多次，在光學顯微鏡下觀察細胞形態(tài)一致時可認為獲得純菌.

(3)篩選：對分離得到的光合細菌進行產(chǎn)氫實驗，分別接種到含有10 mL產(chǎn)氫培養(yǎng)液的注射器中，在光照度4 000 lx左右，溫度30 ℃，厭氧條件下進行培養(yǎng)，每隔12 h測定產(chǎn)氫量，選擇產(chǎn)氫性能好的菌種作為研究對象并對其進行鑒定.

1.3.2 菌株的產(chǎn)氫性能優(yōu)化

將分離篩選得到的高效產(chǎn)氫光合細菌菌落接種到培養(yǎng)液中進行擴大培養(yǎng)，當其生長至對數(shù)期時，按5%的接種量接種至產(chǎn)氫反應液中.將反應器置于光照培養(yǎng)箱中，在光照度4 000 lx左右，溫度30 ℃，厭氧條件下進行培養(yǎng)，定時測定產(chǎn)氫量，每組設(shè)置三個平行實驗.考察不同濃度碳源、氮源以及磷酸鹽緩沖液添加量對細菌產(chǎn)氫性能的影響，得到最佳產(chǎn)氫組合.

1.3.3 光合細菌利用秸稈解聚液制氫

通過酸水解的方法獲得秸稈解聚液并測定其還原糖濃度，按照優(yōu)化后的氮源濃度和磷酸鹽緩沖液添加量配制產(chǎn)氫反應液，并加入相應體積的秸稈解聚液作為碳源，比較菌株利用相同濃度的葡萄糖作為碳源時，其產(chǎn)氫性能的差異.

1.4 分析方法

1.4.1 菌液濃度測定

采用比濁法測定菌體濃度，用紫外分光光度計測定菌液在波長為600 nm時的吸光度，記為OD600.

1.4.2 氣體成分的測定

利用島津GC-2014氣相色譜儀進行氣相成分分析，載氣為氮氣，流速70 mL/min，柱室溫度70 ℃，氣化室溫度80 ℃，檢測器100 ℃，進樣量100μL.

1.4.3 還原糖的測定

采用DNS法(即3-5二硝基水楊酸法)測定秸稈解聚液中的總還原糖濃度.

1.4.4 產(chǎn)氫參數(shù)擬合

參考Gompertz方程得到修正后的產(chǎn)氫擬合曲線：

(1)

式(1)中：H—細菌發(fā)酵所產(chǎn)生的氫氣體積(mL/L)；Hmax—細菌可能產(chǎn)生的最大氫氣體積(mL/L)；Rm—細菌的最大產(chǎn)氫速率( L/(L·h) )；λ—細菌產(chǎn)氫的延滯時間(h)；t—反應時間(h)；e—為自然對數(shù)，數(shù)值為2.718 28.

2 結(jié)果與討論

2.1 高效產(chǎn)氫光合細菌的鑒定

通過分離、純化和產(chǎn)氫測試，篩選得到一株高效產(chǎn)氫光合細菌，命名為QW02，并對其進行16S rDNA基因序列測定分析[14]，將所得序列通過NCBI基因庫中的序列進行同源性分析并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，圖1為菌株QW02的系統(tǒng)發(fā)育樹，表明其屬于莢膜紅細菌屬(Rhodobactercapsulatus).

圖1 菌株QW02的系統(tǒng)發(fā)育樹

2.2 碳源濃度對光合細菌產(chǎn)氫的影響

碳源是光合細菌產(chǎn)氫的供氫體，對光合細菌的生長和產(chǎn)氫性能起著至關(guān)重要的作用，葡萄糖作為細菌生長的一種理想碳源，可以作為產(chǎn)氫基質(zhì)被利用，也是秸稈解聚液的一種重要單糖成分.本實驗以葡萄糖為唯一碳源，在溫度為30 ℃、初始pH為7.1的條件下[15]，研究不同葡萄糖濃度對光合細菌產(chǎn)氫的影響.

由圖2可以看出，在一定的光照條件下，碳源濃度對菌株產(chǎn)氫性能的影響比較大.表1為光合細菌利用不同濃度葡萄糖的產(chǎn)氫動力學參數(shù)，隨著葡萄糖濃度的不斷增加，最大產(chǎn)氫得率呈現(xiàn)一個先增后減的趨勢，當葡萄糖濃度增加到6 g/L時，最大產(chǎn)氫得率為2 273.4 mL/L，最大產(chǎn)氫速率為94.5 mL/(L·h).隨后再增加葡萄糖濃度，最大產(chǎn)氫得率與速率均呈現(xiàn)下降的趨勢.說明光合細菌產(chǎn)氫時，對碳源的利用能力有限，碳源濃度過低，不能保證細菌的生長和產(chǎn)氫；濃度過高，葡萄糖分解產(chǎn)生的有機酸會對光合細菌內(nèi)的產(chǎn)氫代謝途徑產(chǎn)生抑制[16].所以，需要在適當?shù)姆秶鷥?nèi)選擇葡萄糖濃度，提高產(chǎn)氫得率.

圖2 不同葡萄糖濃度下光合細菌累積產(chǎn)氫量隨時間的變化

濃度/(g/L)Gompertz方程Hm/(mL/L)Rm/(mL/(L·h))λ/hR221132．0±5．475．3±4．557．2±4．31．000062273．4±22．194．5±5．23．1±0．70．998482096．5±34．885．6±3．76．1±0．90．9972101915．6±65．670．0±4．67．8±1．30．9993141800．3±15．357．2±4．33．3±0．60．9964

2.3 氮源濃度對光合細菌產(chǎn)氫的影響

氮源是微生物生長代謝所必需的物質(zhì)，氮源的主要作用是合成細胞中的含氮物質(zhì)，一般不用做能源物質(zhì).光合細菌產(chǎn)氫主要是由固氮酶催化，不同的氮源種類及不同的C/N對光合細菌的產(chǎn)氫均有顯著影響.氮源對光合細菌產(chǎn)氫活性的影響主要表現(xiàn)為對固氮酶活性的影響，當培養(yǎng)環(huán)境中NH4+濃度過高時不僅會抑制固氮酶的產(chǎn)氫活性，使菌體產(chǎn)氫能力下降[17]，還會影響光合細菌通過光合磷酸化產(chǎn)生ATP，導致光合細菌細胞內(nèi)ATP水平偏低，不能為產(chǎn)氫提供足夠的能量，造成產(chǎn)氫量的下降.本試驗以L-谷氨酸為唯一氮源，在溫度為30 ℃、初始pH為7.1、葡萄糖濃度為6 g/L的條件下，研究不同氮源濃度對光合細菌產(chǎn)氫的影響.

結(jié)合圖3與表2的產(chǎn)氫動力參數(shù)可以看出，隨著L-谷氨酸濃度在2～18 mmol/L范圍內(nèi)的不斷增加，累積產(chǎn)氫量與最大產(chǎn)氫得率與速率也不斷增加.在濃度為18 mmol/L時，獲得最大產(chǎn)氫得率與速率，分別為2 828.2 mL/L和111.7 mL/(L·h)，隨著氮源濃度的繼續(xù)增加，最大產(chǎn)氫得率與速率相繼減少.說明18 mmol/L的谷氨酸濃度為產(chǎn)氫適宜濃度，此時，產(chǎn)氫延滯期相對較短，菌體具有較強的產(chǎn)氫活性.雖然在濃度為2 mmol/L時產(chǎn)氫延滯期最短，但是最大產(chǎn)氫得率最低，說明當?shù)床蛔銜r，細菌沒有足夠充足的能量合成蛋白質(zhì)，而導致沒有足夠的生物量，無法保證產(chǎn)氫代謝進行；而當?shù)礉舛瘸^18 mmol/L時，最大產(chǎn)氫得率下降可能是因為谷氨酸濃度過高時游離出NH4+，抑制了固氮酶的活性，從而使細菌的光合產(chǎn)氫作用受到抑制，表現(xiàn)為產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫活性的下降.

圖3 不同氮源濃度下光合細菌累積產(chǎn)氫量隨時間的變化

濃度/(mmol/L)Gompertz方程Hm/(mL/L)Rm/(mL/(L·h))λ/hR221028．9±13．438．6±2．53．0±0．90．997461325．9±22．142．3±2．83．3±1．00．9968102034．0±42．142．5±5．23．6±2．60．9859142376．9±92．468．4±9．33．7±2．30．9854182828．2±18．1111．7±3．64．5±0．40．9854222537．6±38．779．2±3．83．6±1．20．9990

2.4 磷酸鹽濃度對光合細菌產(chǎn)氫的影響

培養(yǎng)液中的磷酸鹽不僅給微生物提供細胞生長所需要的磷源，而且提供了一種緩沖體系，維持培養(yǎng)基中酸堿度的穩(wěn)定及其它礦質(zhì)元素的平衡，有利于微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的有效利用.有研究表明，莢膜紅細菌中固氮酶和氫酶所需的最適pH范圍7.1～7.3，過酸過堿都會影響光合細菌的產(chǎn)氫相關(guān)酶活性，從而影響產(chǎn)氫量[18]，因此磷酸鹽的存在就可以為光合細菌維持一個相對穩(wěn)定的酸堿環(huán)境.本試驗在溫度為30 ℃、初始pH為7.1、葡萄糖濃度為6 g/L、L-谷氨酸濃度為18 mmol/L的條件下，研究不同磷酸鹽緩沖液添加量對光合細菌產(chǎn)氫的影響.

結(jié)合圖4和表3可以看出，隨著磷酸鹽緩沖液添加量的增大，其最大產(chǎn)氫速率和得率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.當磷酸鹽緩沖液添加量為20 mL/L時，其最大產(chǎn)氫得率與速率最大，分別為3 397.0 mL/L和125.3 mL/(L·h).而后隨著磷酸鹽緩沖液濃度的不斷增大，其最大產(chǎn)氫速率和得率均所下降.可見，并非磷酸鹽緩沖液的濃度越高，緩沖能力越強，過多的磷酸鹽緩沖溶液會改變細菌胞內(nèi)的滲透壓，從而改變細菌的生長代謝，因此會對產(chǎn)氫帶來抑制作用.

圖4 不同磷酸鹽緩沖液添加量下光合細菌累積產(chǎn)氫量隨時間的變化

添加量/(mL/L)Gompertz方程Hm/(mL/L)Rm/(mL/(L·h))λ/hR2102910．9±56．766．0±10．24．4±0．90．9977203397．0±48．1125．3±7．73．1±2．40．9987403290．4±24．398．1±7．55．9±0．30．9996603137．9±38．472．6±5．57．6±0．50．9986801813．9±32．152．6±5．612．4±0．60．9964

2.5 光合細菌利用秸稈解聚液的產(chǎn)氫研究

將已知還原糖濃度的秸稈解聚液pH調(diào)節(jié)至7.1，以作為產(chǎn)氫反應液的底物碳源.按照優(yōu)化后的氮源濃度和磷酸鹽緩沖液添加量配制產(chǎn)氫反應液，并加入相應體積的秸稈解聚液(還原糖濃度6 g/L)作為碳源，研究光合細菌利用秸稈解聚液的產(chǎn)氫能力.以生物質(zhì)秸稈的解聚液做為底物進行光合細菌的產(chǎn)氫反應時，其中主要是以葡萄糖，木糖等小分子單糖混合物提供碳源[11].所以用相同濃度的葡萄糖作為碳源，比較其與秸稈解聚液作為碳源時，其產(chǎn)氫性能的差異.

如圖5和表4所示，光合細菌利用秸稈解聚液的產(chǎn)氫性能優(yōu)于葡萄糖，最大產(chǎn)氫量為3 944.2 mL/L，最大產(chǎn)氫速率為153.5 mL/(L·h)，這兩項指標均優(yōu)于光合細菌利用葡萄糖為底物碳源時的.其次，光合細利用秸稈解聚液的產(chǎn)氫遲滯時間也比較短，可能是因為秸稈解聚液中還有其他小分子酸被作為碳源利用.

圖5 光合細菌在兩種碳源條件下的累積產(chǎn)氫曲線

碳源Gompertz方程Hm/(mL/L)Rm/(mL/(L·h))λ/hR2葡萄糖3552．7±26．4131．8±5．25．3±0．50．9988秸稈解聚液3944．2±45．8153．5±16．84．9±1．40．9923

由圖6可以看出，在兩種碳源條件下，產(chǎn)氫液pH均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.當以葡萄糖作為碳源時，pH在36 h左右上升到最大值為7.31.之后，pH值隨著產(chǎn)氫反應的持續(xù)進行，一直呈現(xiàn)下降趨勢，96 h左右時，pH下降至5.84.依據(jù)上述實驗結(jié)果，說明光合細菌利用葡萄糖產(chǎn)氫的過程存在著代謝產(chǎn)酸的過程，且產(chǎn)酸的速度快于有機酸分解的的過程，菌液的酸化使菌體的生長活性下降，生長受到抑制并發(fā)生衰亡自溶，因此菌體的產(chǎn)氫活性也受到一定抑制，產(chǎn)氫穩(wěn)定性較差.而以秸稈解聚液作為碳源時，pH在36 h上升到最大值7.46.之后，pH值隨著產(chǎn)氫反應的持續(xù)進行呈現(xiàn)略微下降，72 h后，pH最終穩(wěn)定在7左右.這說明在秸稈解聚液中，除了糖類占大多數(shù)外，還存在一部分小分子揮發(fā)性有機酸或有機酸鹽[19]，這部分小分子酸可以以碳源的形式被光合細菌利用，而光合細菌利用小分子酸產(chǎn)氫的過程是一個pH升高的過程，因此在整個產(chǎn)氫過程中，pH都呈現(xiàn)出較強生物自穩(wěn)性.

圖6 兩種碳源條件下光合細菌產(chǎn)氫液pH變化曲線

為了進一步探究光合細菌在以秸稈解聚液和葡萄糖作為底物時，其產(chǎn)氫性能提高的機理，本文測試了以兩種不同底物作為碳源時的產(chǎn)氫反應液在產(chǎn)氫過程中的OD600，得出生物量的變化規(guī)律.由圖7可以看出，兩種碳源條件下生物量都呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，而以秸稈解聚液為碳源時，其生物量在整個產(chǎn)氫周期中，要明顯高于以葡萄糖作為碳源時的生物量.結(jié)合前面的實驗，說明秸稈解聚產(chǎn)氫液pH的自穩(wěn)效應可以使細菌保持較高的生長活性，提供足夠的生物量，這是秸稈解聚液作為碳源時高產(chǎn)氫得率與速率的關(guān)鍵.

圖7 兩種碳源條件下光合細菌產(chǎn)氫液生物量變化曲線

3 結(jié)論

(1)為篩選出高效產(chǎn)氫光合細菌，對從造紙廠采集的活性污泥進行馴化后分離篩選得到一株高效產(chǎn)氫光合細菌QW02，對其進行16S rDNA序列對比分析并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，表明QW02屬于莢膜紅細菌.

(2)通過單因素實驗確定菌株獲得最大產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率的條件為葡萄糖為6 g/L，谷氨酸為18 mmol/L，磷酸鹽緩沖液濃度為20 mL/L.

(3)在單因素優(yōu)化的條件下分別以葡萄糖和秸稈解聚液為碳源對菌株進行產(chǎn)氫實驗.結(jié)果表明，菌株利用秸稈解聚液的產(chǎn)氫得率優(yōu)于以葡萄糖為碳源時的得率，其最大產(chǎn)氫量為3 944.2 mL/L，最大產(chǎn)氫速率高達153.5 mL/(L·h)，反應遲滯時間短，pH變化幅度較小，具有一定的自穩(wěn)效應，因而使其產(chǎn)氫周期較長，并且生物量在整個產(chǎn)氫過程中始終高于以葡萄糖作為碳源時的生物量.證實了利用光合細菌轉(zhuǎn)化秸稈解聚液的一步法光合產(chǎn)氫的可行性.

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