微生物與能源

1、微生物與能源占毅 張西橋微生物產(chǎn)甲烷 1.理機(jī) 2.應(yīng)用 3.限制 沼氣發(fā)酵是一種極其復(fù)雜的微生物和化學(xué)沼氣發(fā)酵是一種極其復(fù)雜的微生物和化學(xué)過程，這一過程的發(fā)酵和發(fā)展是五大類群微生過程，這一過程的發(fā)酵和發(fā)展是五大類群微生物生命活動(dòng)的結(jié)果。它們是：物生命活動(dòng)的結(jié)果。它們是：發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌。氫產(chǎn)乙酸菌、食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌。這些微生物按照各自的營(yíng)養(yǎng)需要，起著不同的這些微生物按照各自的營(yíng)養(yǎng)需要，起著不同的物質(zhì)轉(zhuǎn)化作用。從復(fù)雜不機(jī)物的降解，到甲烷物質(zhì)轉(zhuǎn)化作用。從復(fù)雜不機(jī)物的降解，到甲烷的形成，就是由它們分工合作和相互作用完成的形成，就是由它

2、們分工合作和相互作用完成的。的。 在沼氣發(fā)酵過程中，在沼氣發(fā)酵過程中，五大類群細(xì)菌構(gòu)成五大類群細(xì)菌構(gòu)成一條食物鏈一條食物鏈，從各類群細(xì)菌的生理代謝產(chǎn)物或，從各類群細(xì)菌的生理代謝產(chǎn)物或它們的活動(dòng)對(duì)發(fā)酵液酸堿度（它們的活動(dòng)對(duì)發(fā)酵液酸堿度（pH）的影響來）的影響來看，沼氣發(fā)酵過程可分為看，沼氣發(fā)酵過程可分為產(chǎn)酸階段產(chǎn)酸階段和和產(chǎn)甲烷階產(chǎn)甲烷階段段。前三群細(xì)菌的活動(dòng)可使有機(jī)物形成各種有。前三群細(xì)菌的活動(dòng)可使有機(jī)物形成各種有機(jī)酸，因此，將其統(tǒng)稱為機(jī)酸，因此，將其統(tǒng)稱為不產(chǎn)甲烷菌不產(chǎn)甲烷菌。后二群。后二群細(xì)菌的活動(dòng)可使各種有機(jī)轉(zhuǎn)化成甲烷，因此，細(xì)菌的活動(dòng)可使各種有機(jī)轉(zhuǎn)化成甲烷，因此，將其統(tǒng)稱為將其統(tǒng)稱為產(chǎn)

3、甲烷菌產(chǎn)甲烷菌。 不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌提供營(yíng)養(yǎng)不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌提供營(yíng)養(yǎng) 不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造適宜的厭氧生不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造適宜的厭氧生態(tài)環(huán)境態(tài)環(huán)境 不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌清除有毒物質(zhì)不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌清除有毒物質(zhì) 產(chǎn)酸階段的細(xì)菌有：梭菌屬（Clostridium）；芽孢桿菌（Bacillus）；葡萄球菌屬（Staphlococccus）；變形桿菌屬（Froteis）；桿菌屬(Bacterium)。 產(chǎn)甲烷階段菌： 產(chǎn)甲烷桿菌 （ Methanobacterium ）； 甲烷短桿菌（Methanobrevibacterium ）； 甲烷球菌（ Methanococci ）； 甲烷微

4、球菌（ Methanomicrobium ）二階段理論三階段理論 四階段理論應(yīng)用限制 設(shè)備較復(fù)雜，建設(shè)投資較高；要求高標(biāo)準(zhǔn)的施工、管理和保養(yǎng)； 由于厭氧菌繁殖速度慢，工藝啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。且產(chǎn)量受地區(qū)與季節(jié)的影響。微生物產(chǎn)醇 乙醇燃料具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要是： 產(chǎn)能效率高。 污染程度輕，在燃燒期間 不產(chǎn)生有毒的CO。 可通過微生物發(fā)酵大量生產(chǎn)，成本相對(duì)較低。 用作發(fā)酵的原料較多，而且可以廢物利用，如農(nóng)作物秸稈、玉米芯、稻草、纖維素、蔗渣、樹葉和雜草等。 水解過程 淀粉 酸解或酶解 戊糖和己糖 木質(zhì)纖維素 預(yù)處理酵解過程 酵母菌在厭氧條件下可發(fā)酵己糖形成乙醇： 乙醇產(chǎn)生菌的主要種類有酵母菌屬（Saccha

5、romyces）、裂殖酵母菌屬（Schizosaccharomyces）、假絲酵母屬（Candida）、球擬酵母屬（Torulopsis）、酒香酵母屬（Brettanomyces）、漢遜氏酵母屬（Hansenula）、克魯弗氏酵母屬（Kluveromyces）、畢赤氏酵母屬（Pichia）、隱球酵母屬（Cryptococcus）、德巴利氏酵母屬（Debaryomyces）、卵孢酵母屬（Oosporium）、曲霉屬（Aspengillus）等。應(yīng)用限制 熱值較低，加大了生產(chǎn)成本。 需要更高效更清潔的能源微生物產(chǎn)氫 目前世界氫產(chǎn)量96 %是由天然的碳?xì)浠衔锶缣烊粴?、煤和石油產(chǎn)品中提取的,4 %是

6、采用水電解法制取的。化學(xué)方法制氫要消耗大量的礦物資源,而且再生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染物對(duì)地球環(huán)境造成破壞。利用生物方法進(jìn)行氫氣生產(chǎn),受到世人關(guān)注。生物制氫包括生物質(zhì)氣化制氫和微生物發(fā)酵制氫2 種。利用生物質(zhì)如秸稈等裂解氣化制備氫氣是一種非常有前景的氫氣生產(chǎn)方法,目前國(guó)外已完成中試。微生物發(fā)酵制氫是另一種有前景的。直接光合產(chǎn)氫 這一光合系統(tǒng)中,具有兩個(gè)獨(dú)立但協(xié)調(diào)起作用的光合作用中心；接收太陽(yáng)能分解水產(chǎn)生H+、電子和 O2的光合系統(tǒng)( PS)以及產(chǎn)生還原劑用來固定 CO2 的光合系統(tǒng)( PS)。PS產(chǎn)生的電子由鐵氧化還原蛋白攜帶經(jīng)由 PS和PS到達(dá)產(chǎn)氫酶，H+在產(chǎn)氫酶的催化作用下在一定的條件下形成H2

7、14。產(chǎn)氫酶是所有生物產(chǎn)氫的關(guān)鍵因素，綠色植物由于沒有產(chǎn)氫酶,所以不能產(chǎn)生氫氣，這是藻類和綠色植物光合作用過程的重要區(qū)別所在光發(fā)酵產(chǎn)氫 有機(jī)物 光能異養(yǎng)型微生物 氫氣光能 光合細(xì)菌無PSII光合系統(tǒng)，無法利用水來產(chǎn)生氫離子。 利用光能將有機(jī)物分解，產(chǎn)生氫離子和高能電子。產(chǎn)氫酶再利用這些中間產(chǎn)物和ATP來產(chǎn)生氫氣。 應(yīng)用于處理有工業(yè)機(jī)廢水 暗發(fā)酵產(chǎn)氫厭氧細(xì)菌利用有機(jī)底物進(jìn)行暗發(fā)酵產(chǎn)生氫氣；溫度范圍25-80，或超高溫80 乙酸為終產(chǎn)物時(shí)：C6H12O6 + 2H2O 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2丁酸為終產(chǎn)物時(shí)：C6H12O6 + 2H2O CH3CH2CH2COOH + 2H2 +

8、 2CO2 缺點(diǎn)：產(chǎn)氫速率明顯受pH H2、CO2分壓的影響。 優(yōu)點(diǎn)：利用厭氧細(xì)菌發(fā)酵纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解后的小分子有機(jī)物，具有環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益。微生物燃料電池 MFC 燃料電池用氫、聯(lián)氨、甲醇、甲醛、甲烷、乙烷等作燃料，以氧氣、空氣、雙氧水等為氧化劑?，F(xiàn)在我們可以利用微生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生的所謂電極活性物質(zhì)作為電池燃料，然后通過類似于燃料電池的辦法，把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，成為微生物電池。 在陽(yáng)極池，溶液或污泥中的營(yíng)養(yǎng)物在催化劑作用下生成質(zhì)子、電子和代謝產(chǎn)物，通過載體運(yùn)送到電極表面，再經(jīng)過外電路轉(zhuǎn)移到陰極；在陰極，處于氧化態(tài)的物質(zhì)與陽(yáng)極傳遞過來的質(zhì)子和電子結(jié)合發(fā)生還原反應(yīng)生成水，就這樣通過電

9、子的不斷轉(zhuǎn)移來產(chǎn)生電能。產(chǎn)電微生物菌種 Electricigens:指那些能夠在厭氧條件下完全氧化有機(jī)物成co2，然后把氧化過程中產(chǎn)生的電子通過電子傳遞鏈傳遞到電極上產(chǎn)生電流的微生物，同時(shí)微生物在電子傳遞過程中獲得能量支持生長(zhǎng)。 產(chǎn)電微生物種類：大腸桿菌、普通變形桿菌、枯草芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌、嗜水氣單胞菌等，從中選擇產(chǎn)電效率高且可以建立互利共生關(guān)系的菌種電子傳遞機(jī)理 細(xì)胞膜直接傳遞電子-無介體 其電子直接從微生物細(xì)胞膜傳遞到電極，呼吸鏈中細(xì)胞色素及醌類物質(zhì)是實(shí)際電子載體；提高電池功率，關(guān)鍵在于提高細(xì)胞膜與電極材料的接觸效率。 由中間體傳遞電子-有介體 微生物細(xì)胞膜含有肽鍵或類聚糖等不導(dǎo)電物

10、質(zhì)，對(duì)電子傳遞造成很大阻力，需要借助介體將電子從呼吸鏈及內(nèi)部代謝物中轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極。吸附在脫硫弧菌(Desulfovibrodesulfricans)細(xì)胞膜上與碳聚合膜交結(jié)的紫精染料，可以調(diào)節(jié)電子在細(xì)菌細(xì)胞與電極間的轉(zhuǎn)移。在微生物燃料電池中加入適當(dāng)?shù)慕轶w，會(huì)顯著改善電子的轉(zhuǎn)移速率。 一些有機(jī)物和金屬有機(jī)物可以用作微生物燃料電池的電子傳遞介體，其中，較為典型的是硫堇、吩嗪、Fe(III)、EDTA和中性紅等。雖然硫堇很適合于用作電子傳遞介體，但是當(dāng)以硫堇作介體時(shí)，由于其在生物膜上容易發(fā)生吸附而使電子傳遞受到一定程度的抑制，導(dǎo)致微生物燃料電池的工作效率降低。氧化還原介體的功能依賴于電極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)， 可利用生物廢物有機(jī)物發(fā)電，清潔環(huán)保，它能夠直接利用生 物廢物和有機(jī)物產(chǎn)生電能，產(chǎn)出的能量可以用作污水處理廠的運(yùn)行，或者在電力市場(chǎng)出售； 將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化率高。在厭氧處理過程中，產(chǎn)生的沼氣燃燒發(fā)電時(shí)，以電能輸出的能量至多只能占輸入能量的13。雖然通過熱能形式可以回收一部分能量，但總的效率仍然停留在30。而由于微生物燃料電池的能量轉(zhuǎn)化沒有中間過程，因此能量轉(zhuǎn)化效率相應(yīng)升高，實(shí)際