生物制氫匯總課件

4生物制氫4生物制氫1.氫與氫能元素周期表第一個元素原子結(jié)構(gòu)最簡單氫氣密度最小，無色無味常壓下，-252.87℃時可變?yōu)闊o色液體常壓下，-259.1℃時可變成雪狀固體氫氣燃燒產(chǎn)生大量的熱（氫能）：142kJ/g，是汽油發(fā)熱量的3倍燃燒速度快，易爆在自然界中主要以水、石油、煤炭、天然氣、生命體、有機物的形式存在最理想的能源1.氫與氫能元素周期表第一個元素氫能的特點(1)來源廣。自然界存在的氕，其豐度約為氫總量的99.98%。地球上的水儲量為21018萬t，是氫取之不盡、用之不竭的重要源泉。(2)燃燒熱值高。氫氣的熱值為121061kJ/kg，是甲烷的2.4倍，汽油的2.4倍，乙醇的4.5倍，高于所有化石燃料和生物質(zhì)燃料。(3)清潔。氫本身無色無味無毒，若在空氣中燃燒產(chǎn)生水；(4)燃燒穩(wěn)定性好。容易做到比較完善的燃燒，燃燒效率很高。(5)存在形式多。氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或者固態(tài)金屬氫化物出現(xiàn)，能適應儲運及各種應用環(huán)境的要求。(6)氫是“和平”的能源。化石能源分布極不均勻，常常引起激烈的資源爭奪。而氫即可再生來源又廣，每個國家都有著豐富的氫資源，因此可以說是“和平”的能源。氫能的特點(1)來源廣。自然界存在的氕，其豐度約為氫總量的氫能的發(fā)展是歷史的必然？能源利用的趨勢：高碳→低碳；低氫→高氫；固態(tài)→氣態(tài)能源氫/碳碳/氫柴薪0.01100

煤炭0.71.43

石油1.80.56

天然氣3.50.29

氫∞0氫能的發(fā)展是歷史的必然？能源利用的趨勢：高碳→低碳；低氫能發(fā)展概況1974年，國際氫能源協(xié)會（InternationalAssociationforHydrogenEnergy，IAHE）創(chuàng)辦，并于2000年開始舉辦兩年一屆的國際氫能論壇（Hyforum）。2003年11月在美國首都華盛頓歐米尼·西海姆大酒店舉行氫能國際經(jīng)濟合作伙伴（IPHE）會議，共有15個國家和歐盟政府代表團以及各國工商界代表參加，中國是成員國之一。其目標是，到2020年，制氫的成本費用降低到能使其稱為交通運輸燃料的選擇之一。氫能發(fā)展概況1974年，國際氫能源協(xié)會（Internatio氫能——永恒的能源電：不能大規(guī)模存儲；氫：可大規(guī)模存儲。核聚變：氘+氚→氦；氫彈、太陽能。受控核聚變：①高溫（幾千萬-幾億攝氏度）②低氣體密度（常溫常壓下的幾萬分之一）③能量約束時間超過1s。資源豐富：氘——海水中含有的氘可供人類以當前能源消費水平使用上億年；氚——沒有；鋰——鋰+中子→氚，鋰可用1~2萬年。分數(shù)氫：常規(guī)氫與核聚變的中間層。氫能——永恒的能源電：不能大規(guī)模存儲；氫：可大規(guī)模存儲。氫的制備方法水制氫電解：通電；熱化學：1000℃，催化劑（Me3O4，MeCl2）；熱裂解：3000℃?；茉粗茪涿簹饣好骸固?；C+H2O→H2

+CO;CO+H2O→H2+CO2天然氣：CH4+2H2O→4H2+CO2;CH4→2H2+C石油：CH3OH+H2O→3H2+CO2;通式：hv+CxHy+H2O→H2+CO2;氫的制備方法水制氫生物制氫匯總課件2.生物制氫與傳統(tǒng)的化學制氫方法相比，生物制氫具有無污染、可再生和不消耗寶貴的礦物資源的突出優(yōu)點。按培養(yǎng)條件：光合生物制氫（藻類、光合細菌）、發(fā)酵細菌制氫（固氮作用等）、光合生物和發(fā)酵細菌聯(lián)合培養(yǎng)制氫。

按產(chǎn)氫機制：光裂解制氫；光發(fā)酵制氫、暗發(fā)酵制氫；2.生物制氫與傳統(tǒng)的化學制氫方法相比，生物制氫具有無污染、生物制氫匯總課件2.1光合作用2.1光合作用原初反應電子傳遞和光合磷酸化光反應暗反應原初反應電子傳遞和光合磷酸化光反應暗反應光反應的主要蛋白舞臺主演配角光反應的主要蛋白舞臺主演配角2.1.1原初反應是指從光合色素分子被光激發(fā)，到引起第一個光化學反應為止的過程。物理過程：光的吸收、傳遞化學過程：電子傳遞特點1.速度非?？欤?0－12s~10－9s內(nèi)完成；2.與溫度無關(guān)，(77K，液氮溫度)(2K，液氦溫度)；3.量子效率接近1。2.1.1原初反應是指從光合色素分子被光激發(fā)，到引起第一個天線色素特殊色素天線色素特殊色素生物制氫匯總課件生物制氫匯總課件光的吸收與傳遞色素分子的能態(tài)激發(fā)態(tài)的命運1.放熱2.發(fā)射熒光與磷光3.色素分子間的能量傳遞

4.光化學反應光的吸收與傳遞色素分子的能態(tài)色素分子間的能量傳遞激子傳遞激子通常是指非金屬晶體中由電子激發(fā)的量子，它能轉(zhuǎn)移能量但不能轉(zhuǎn)移電荷。這種在相同分子間依靠激子傳遞來轉(zhuǎn)移能量的方式稱為激子傳遞。色素分子間的能量傳遞激子傳遞共振傳遞在色素系統(tǒng)中，一個色素分子吸收光能被激發(fā)后，其中高能電子的振動會引起附近另一個分子中某個電子的振動(共振)，當?shù)诙€分子電子振動被誘導起來，就發(fā)生了電子激發(fā)能量的傳遞。這種依靠電子振動在分子間傳遞能量的方式就稱為“共振傳遞”。在共振傳遞過程中，供體和受體分子可以是同種，也可以是異種分子。能量傳遞過程中不發(fā)生光的吸收和電子的傳遞。共振傳遞能量傳遞過程的能量變化能量傳遞過程的能量變化光化學反應反應中心反應中心是發(fā)生原初反應的最小單位，它是由反應中心色素分子、原初電子受體、次級電子受體與供體等電子傳遞體，以及維持這些電子傳遞體的微環(huán)境所必需的蛋白質(zhì)等成分組成的。原初電子受體是指直接接收反應中心色素分子傳來電子的電子傳遞體反應中心色素分子是光化學反應中最先向原初電子受體供給電子的，因此反應中心色素分子又稱原初電子供體。光化學反應反應中心生物制氫匯總課件原初反應——光化學反應原初反應的光化學反應實際就是由光引起的反應中心色素分子與原初電子受體間的氧化還原反應，可用下式表示光化學反應過程：

P·AP*·AP+·A－基態(tài)反應中心激發(fā)態(tài)反應中心電荷分離的反應中心反應中心出現(xiàn)了電荷分離(P+)(A-)，到這里原初反應也就完成了。原初電子供體失去電子，有了“空穴”，成為“陷阱”，便可從次級電子供體那里爭奪電子；而原初電子受體得到電子，使電位值升高，供電子的能力增強，可將電子傳給次級電子受體。供電子給P+的還原劑叫做次級電子供體(D)，從A－接收電子的氧化劑叫做次級電子受體(A1)，那么電荷分離后反應中心的更新反應式可寫為：

D·〔P+·A－〕·A1→D+·〔P·A〕·A1－

這一過程在光合作用中不斷反復地進行，從而推動電子在電子傳遞體中傳遞。hv原初反應——光化學反應原初反應的光化學反應實際就是由光引起的PSⅠ和PSⅡ的光化學反應次級電子供體反應中心色素分子（原初電子供體）原初電子受體次級電子受體PSⅠPCP700葉綠素分子(A0)鐵硫中心PSⅡYZP680去鎂葉綠素分子(Pheo)醌分子(QA)PSⅠ和PSⅡ的光化學反應次級反應中心色素分子（原初電子供體2.1.2電子與質(zhì)子傳遞2.1.2電子與質(zhì)子傳遞生物制氫匯總課件光系統(tǒng)Ⅱ（PhotosystemⅡ，PSⅡ）PSⅡ是含有多亞基的蛋白復合體。它由聚光色素復合體Ⅱ、中心天線、反應中心、放氧復合體、細胞色素和多種輔助因子組成。PSII反應中心結(jié)構(gòu)模式圖示意PSII反應中心D1蛋白和D2蛋白的結(jié)構(gòu)。電子從P680傳遞到去鎂葉綠素（Pheo）繼而傳遞到兩個質(zhì)體醌QA和QB。P680+在“Z”傳遞鏈中被D1亞基中酪氨酸殘基還原。Mn聚集體(MSP)對水的氧化。CP43和CP47是葉綠素結(jié)合蛋白。光系統(tǒng)Ⅱ（PhotosystemⅡ，PSⅡ）PSⅡ是含PSⅡ反應中心的核心部分是分子量分別為32000和34000的D1和D2兩條多肽。反應中心的次級電子供體Z、中心色素P680、原初電子受體Pheo、次級電子受體QA、QB等都結(jié)合在D1和D2上。其中與D1結(jié)合的質(zhì)體醌定名為QB，與D2結(jié)合的質(zhì)體醌定名為QA。這里的Q，醌(Quinone)的字首。組成中心天線的CP47和CP43是指分子量分別為47000、43000并與葉綠素結(jié)合的聚光色素蛋白復合體，它們圍繞P680，比LHCⅡ更快地把吸收的光能傳至PSⅡ反應中心，所以被稱為中心天線或“近側(cè)天線”。PSⅡ反應中心的核心部分是分子量分別為32000和340醌的電子傳遞QA是單電子體傳遞體，每次反應只接受一個電子生成半醌，它的電子再傳遞至QB，QB是雙電子傳遞體，QB可兩次從QA接受電子以及從周圍介質(zhì)中接受2個H+而還原成氫醌(QH2)

。這樣生成的氫醌可以與醌庫的PQ交換，生成PQH2。醌的電子傳遞QA是單電子體傳遞體，每次反應只接受一個電子生成水的裂解與氧的生成放氧復合體(OEC)又稱錳聚合體(M,MSP)，在PSⅡ靠近類囊體腔的一側(cè)，參與水的裂解和氧的釋放。每釋放1個O２需要從2個H2O中移去4個e-，同時形成4個H＋。PSⅡ的生理功能是吸收光能，進行光化學反應，產(chǎn)生強的氧化劑，使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質(zhì)體醌。水的裂解與氧的生成放氧復合體(OEC)又稱錳聚合體(M,MS質(zhì)體醌質(zhì)醌(PQ)也叫質(zhì)體醌，是PSⅡ反應中心的末端電子受體，也是介于PSⅡ復合體與Cytb６/f復合體間的電子傳遞體。質(zhì)體醌在膜中含量很高，約為葉綠素分子數(shù)的5%～10%，故有“PQ庫”之稱。質(zhì)體醌是雙電子、雙質(zhì)子傳遞體，氧化態(tài)的質(zhì)體醌可在膜的外側(cè)接收由PSⅡ(也可是PSⅠ)傳來的電子，同時與H＋結(jié)合；還原態(tài)的質(zhì)體醌在膜的內(nèi)側(cè)把電子傳給Cytb６/f，氧化時把H＋釋放至膜腔。這對類囊體膜內(nèi)外建立質(zhì)子梯度起著重要的作用。質(zhì)體醌質(zhì)醌(PQ)也叫質(zhì)體醌，是PSⅡ反應中心的末端電子受體細胞色素b6/f復合體Cytb6/f復合體主要催化PQH２的氧化和PC的還原，并把質(zhì)子從類囊體膜外間質(zhì)中跨膜轉(zhuǎn)移到膜內(nèi)腔中。因此Cytb６/f復合體又稱PQH２·PC氧還酶。Cytb６/f復合體作為連接PSⅡ與PSⅠ兩個光系統(tǒng)的中間電子載體系統(tǒng)，是一種多亞基膜蛋白，由4個多肽組成，即Cytf、Cytb、Rieske鐵-硫蛋白、17kD的多肽等。細胞色素b6/f復合體Cytb6/f復合體主要催化PQH質(zhì)體藍素質(zhì)藍素(PC)是位于類囊體膜內(nèi)側(cè)表面的含銅的蛋白質(zhì)，氧化時呈藍色。它是介于Cytb６/f復合體與PSⅠ之間的電子傳遞成員。通過蛋白質(zhì)中銅離子的氧化還原變化來傳遞電子。PC在類囊體腔內(nèi)移動。質(zhì)體藍素質(zhì)藍素(PC)是位于類囊體膜內(nèi)側(cè)表面的含銅的蛋白質(zhì)，光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）PSⅠ由反應中心和LHCⅠ等組成。反應中心內(nèi)含有11～12個多肽，其中在A和B兩個多肽上結(jié)合著P700及A0、A1、FX、FA、FB等電子傳遞體。每一個PSⅠ復合體中含有兩個LHCⅠ，LHCⅠ吸收的光能能傳給PSⅠ的反應中心。光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）PSⅠ由反應中心和LHCⅠ等組成。反應中心PSⅠ的電子傳遞兩個主要的蛋白質(zhì)亞基psaA和psaB的分布狀況。電子從P700傳遞到葉綠素分子A0，然后到電子受體A1。電子傳遞穿過一系列的被命名為FX，F(xiàn)A，F(xiàn)B的Fe-S中心，最后到達可溶性鐵硫蛋白（Fdx）。P700+從還原態(tài)的質(zhì)藍素（PC）中接受電子。psaF，psaD和psaE幾個PSI亞基參與可溶性電子傳遞底物與PSI復合體的結(jié)合。PSⅠ的電子傳遞兩個主要的蛋白質(zhì)亞基psaA和psaB的分布鐵氧化還原蛋白鐵氧還蛋白(Fd)和鐵氧還蛋白-NADP＋還原酶(FNR)都是存在類囊體膜表面的蛋白質(zhì)。FNR中含1分子的黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，依靠核黃素的氧化還原來傳遞H+。因其與Fd結(jié)合在一起，所以稱Fd-NADP＋還原酶。FNR是光合電子傳遞鏈的末端氧化酶，接收Fd傳來的電子和基質(zhì)中的H＋，還原NADP＋為NADPH，反應式可用下式表示：

2Fd還原+NADP＋+H＋FNR2Fd氧化

+NADPH鐵氧化還原蛋白鐵氧還蛋白(Fd)和鐵氧還蛋白-NADP＋還原光反應的電子與質(zhì)子傳遞光合