龐鳳仙 崔彥如 安明哲 張永鋒

摘要甲烷產(chǎn)生菌、乙醇產(chǎn)生菌、氫氣產(chǎn)生菌、生物柴油產(chǎn)生菌、燃料電池微生物是能源性微生物重要組成種類,闡述了其作為特殊產(chǎn)生能源的代謝作用機(jī)理,探討了利用微生物生產(chǎn)能源的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞微生物;生物能源;研究現(xiàn)狀;應(yīng)用

中圖分類號 Q939.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號 1007-5739(2009)11-0282-03

隨著可再生能源的迅速發(fā)展,人們對能源微生物的重視程度日益增加[1]。能源微生物主要包括甲烷產(chǎn)生菌、乙醇產(chǎn)生菌、氫氣產(chǎn)生菌、生物柴油產(chǎn)生菌和生物電池微生物5大類,這些微生物分別與沼氣、生物乙醇、生物氫氣、生物柴油和生物燃料電池等能源的轉(zhuǎn)化有直接的關(guān)系[2-4]。能源微生物以農(nóng)業(yè)、林業(yè)廢棄物和城市垃圾為原料產(chǎn)生綠色、可再生能源,對社會和環(huán)境的和諧發(fā)展具有重要意義。進(jìn)一步了解和應(yīng)用能源微生物是綠色農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展中的1個重要而深遠(yuǎn)的研究課題,有待于進(jìn)一步的研究、開拓和探索。

1能源微生物種類及轉(zhuǎn)化機(jī)理

根據(jù)安斯沃思(Ainsworth)的分類系統(tǒng),伯杰(Bergeys)細(xì)菌鑒定法和洛德(Lodder)酵母菌鑒定法,能源性微生物主要分為5大類[5-8]:

甲烷產(chǎn)生菌的主要種類有甲烷桿菌屬(Methanobacterium)、甲烷八疊菌屬(Methanosarcina)、甲烷球菌屬(Methanoccus)等[5]。其作用是在生物質(zhì)原料的厭氧發(fā)酵過程中,產(chǎn)生以甲烷為主的沼氣[6]。

乙醇產(chǎn)生菌的主要種類有酵母菌屬(Saccharomyces)、假絲酵母屬(Candida)、裂殖酵母菌屬(Schizosaccharomyces)、球擬酵母屬(Torulopsis)、酒香酵母屬(Brettanomyces)、畢赤氏酵母屬(Pichia)、漢遜氏酵母屬(Hansenula)、克魯弗氏酵母屬(Kluveromyces)、曲霉屬(Aspengillus)、隱球酵母屬(Cryptococcus)、德巴利氏酵母屬(Debaryomyces)、卵孢酵母屬(Oosporium)等[7]。其作用是將復(fù)雜有機(jī)物酵解生成乙醇[8]。

氫氣產(chǎn)生菌的主要種類有紅螺菌屬(Rhodospirillum)、莢硫菌屬(Thiocapsa)、紅微菌屬(Rhodomicrobium)、外硫紅螺菌屬(Ectothiorhodospira)、紅假單胞菌屬(Rhodopseudomonas)、藍(lán)細(xì)菌類硫螺菌屬(Thiospirillum)、板硫菌屬(Thiopedia)、梭桿菌屬(Fusobacterium)、閃囊菌屬(Lamprocystis)、網(wǎng)硫菌屬(Thiodictyon)、埃希氏菌屬(Escherichia)等[9]。生物制氫是利用產(chǎn)氫微生物的生理代謝過程發(fā)酵產(chǎn)生氫氣[10]。

產(chǎn)油微生物包括酵母、霉菌、細(xì)菌和藻類,常見的有:淺白色隱球酵母(Cryptococcus albidus)、彎隱球酵母(Cryptococcus albidun)、茁芽絲孢酵母(Trichospiron pullulans)、斯達(dá)氏油脂酵母(Lipomyces)、產(chǎn)油油脂酵母(Lipomy slipofer)、類酵母紅冬孢(Rhodosporidium toru loides)、膠粘紅酵母(Rhodotorula),土霉菌(Asoergullus terreus)、紫癱麥角菌(Clavicepspurpurea)、高粱褶孢黑粉菌(Tolyposporium)、深黃被孢霉(Mortierella isabellina)、高山被孢霉(Mortierella alpina)、卷枝毛霉(Mucor-circinelloides)、拉曼被孢霉(Mortierella ramanniana)等霉菌,硅藻(diatom)和螺旋藻(Spirulina)等藻類[11]。微生物油脂是指某些微生物在一定條件下將碳水化合物、碳?xì)浠衔锖推胀ㄓ椭忍荚崔D(zhuǎn)化為菌體內(nèi)大量儲存的油脂[12,13]。

生物電池的微生物包括脫硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans)、腐敗希瓦菌(Shewanella purefaciens)[14]、大腸桿菌(Escherichiacoli)[15]、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)[16]、地桿菌(Geobacteraceae sulferreducens)[17]、丁酸梭菌(Clostridium byt-yricum)[18]、嗜甜微生物(Rhodoferax ferrireducens)[19]、糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenesfaecallis)、鶉雞腸球菌(Enterococcus gallinanm)等。它們在新能源開發(fā)[20]、微生物傳感器[21]和水處理工藝[22]方面有良好的應(yīng)用前景。

2能源微生物研究與應(yīng)用概況

2.1甲烷產(chǎn)生菌

近20年來,我國科研工作者對厭氧消化處理中的產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行了非常深入的研究。1980年周孟津和楊秀山分離出巴氏八疊球菌;1983年錢澤澎分離出嗜樹木甲烷短桿菌和甲酸甲烷桿菌[23];1984年趙一章等分離出馬氏甲烷短桿菌菌株C-44[24]和菌株HX;1985年,張輝等分離出嗜熱甲酸甲烷桿菌[25,26];1987年劉光燁等在酒窖窖泥中分離到布氏甲烷桿菌CS[27],錢澤澎等分離出亨氏甲烷螺菌[28],1988年陳美慈等分離出嗜熱甲烷桿菌TH-6[29]。而在最近的十幾年里,又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些新的產(chǎn)甲烷菌種,2000年孫征發(fā)現(xiàn)的彎曲甲烷桿菌Px1[30],極大地促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌的研究進(jìn)程。我國現(xiàn)在采用人畜糞便、農(nóng)副產(chǎn)品下腳料、酒糟廢液和其他工業(yè)生產(chǎn)中的廢液等生產(chǎn)甲烷,用于照明、燃燒等,其使用價值是相當(dāng)可觀的。例如日產(chǎn)酒糟500~600m3的酒廠,可日產(chǎn)含甲烷55%~65%的沼氣9 000~11 000m3,相當(dāng)于日發(fā)電量12 857~15 714KW,日產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)煤17.1~20.9t,可以代替橡膠生產(chǎn)中烘干用油的30%~40%。我國年產(chǎn)木材采伐廢物1 000萬噸,油茶殼75萬噸,膠渣13萬噸,纖維板生產(chǎn)廢液350萬噸和亞硫酸紙漿廢液180萬噸為原料,通過微生物作用可獲得沼氣1 780億立方米。同時,使上述廢液的凈化率達(dá)30%~60%,并可獲得單細(xì)胞蛋白飼料約9萬噸(按1.7%得率計)[31]。

2.2乙醇產(chǎn)生菌

燃料乙醇具有燃燒完全、效率高、無污染等特點(diǎn),用其稀釋汽油所制成的“乙醇汽油”,功效可提高15%左右。制作乙醇的原料豐富,成本低廉。1988年,巴西就有88%的新轎車的發(fā)動機(jī)使用乙醇作燃料。美國計劃2006~2012年間,燃料乙醇年用量從1 200萬噸增加到2 300萬噸。英國、德國、荷蘭等農(nóng)業(yè)資源豐富的國家,也在進(jìn)行燃料酒精的生產(chǎn)[32]。我國纖維素資源充足,年產(chǎn)植物秸稈約6億噸,如果其中的10%經(jīng)微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化,就可生產(chǎn)出乙醇燃料近800萬噸,其殘渣還可用作飼料和肥料,因此發(fā)展纖維素乙醇前景廣闊[33]。1993年,Ho等[34]將木糖還原酶、木糖醇脫氫酶和木酮糖激酶的基因轉(zhuǎn)入釀酒酵母,首次成功構(gòu)建出利用葡萄糖和木糖生產(chǎn)乙醇的工程酵母。Sonderegger等[35]將多個異源基因?qū)氪x木糖的酵母工程菌,重組酵母不僅降低副產(chǎn)物木糖醇的量,所得乙醇產(chǎn)量比親株提高25%?，F(xiàn)有乙醇菌種大多耐受力差、副產(chǎn)物多、對發(fā)酵條件要求苛刻,今后研究應(yīng)致力于篩選優(yōu)良性狀的菌株,或利用基因工程手段選育高產(chǎn)纖維素酶、木質(zhì)素酶菌種以及能克服上述問題的菌種,對其酶學(xué)特性、功能基因進(jìn)行研究,優(yōu)化發(fā)酵條件,輔以工藝措施的改進(jìn),提高燃料乙醇生產(chǎn)效率并降低成本。

2.3氫氣產(chǎn)生菌

微生物制氫是一項(xiàng)利用微生物代謝過程生產(chǎn)氫氣的生物工程技術(shù),所用原料有陽光、水,或是有機(jī)廢水、秸稈等,能克服工業(yè)制氫能耗大、污染重等缺點(diǎn);同時,由于氫氣的可再生、零排放優(yōu)點(diǎn),是一種真正的清潔能源,受到世界各國的高度重視。楊素萍等[36]利用瓊脂固定化Clostridium butyricum 菌株以糖蜜酒精廢液為原料進(jìn)行產(chǎn)氫。丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、產(chǎn)氣腸桿菌(Enterobacter aerogenes)和麥芽糖假絲酵母(Candida maltose)在36℃混合發(fā)酵廢棄物48h,產(chǎn)氫速率可達(dá)15.42mL/h·L,明顯高于單個菌種。此外,利用豆渣、堆肥、活性污泥產(chǎn)氫的報道相繼問世。目前的研究應(yīng)努力改進(jìn)生產(chǎn)工藝,逐漸明確微生物產(chǎn)氫機(jī)理,保證其在產(chǎn)氫過程中的高效性、穩(wěn)定性和對不同生態(tài)條件的適應(yīng)性,相信不久的將來微生物制氫將成為世界能源的一個重要支柱[37]。

2.4產(chǎn)油微生物

目前,國內(nèi)外圍繞著如何提高油脂含量,在菌種和發(fā)酵工藝方面開展了大量的研究,成功研制國際水平的產(chǎn)脂微生物菌種與生產(chǎn)工藝[38]。使用生物柴油對人類健康和全球危害都相對較輕,排放物中多環(huán)芳香化合物和亞硝酸多環(huán)芳香化合物含量水平低,二氧化碳和一氧化碳排放量僅為石油的10%,具有較好的生物降解性能。開發(fā)微生物油脂生產(chǎn)生物柴油,在降低污染、增加產(chǎn)量方面較前二者有更大的優(yōu)越性。開發(fā)微生物油脂,不僅微生物發(fā)酵周期短,受場地、季節(jié)、氣候變化影響不大,還可以利用木質(zhì)纖維素、工業(yè)廢水、廢氣等資源豐富、價格低廉的原料進(jìn)行生產(chǎn),既能夠解決人類資源短缺的問題,又可以保護(hù)環(huán)境,一舉多得,具有巨大發(fā)展空間。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)認(rèn)為,微生物油脂發(fā)酵可能是生物柴油產(chǎn)業(yè)和生物經(jīng)濟(jì)的重要研究方向[11]。

2.5生物燃料電池微生物

生物燃料電池是一類特殊的電池,它以自然界的微生物或酶為催化劑,直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,不僅無污染、效率高、反應(yīng)條件溫和,而且燃料來源廣泛,具有較大的發(fā)展空間。Hagerman[39]研究以含酸廢水為原料的燃料電池,Kim等[40]利用微生物電池培養(yǎng)并富集了具有電化學(xué)活性的微生物,電池運(yùn)行3年多,并從中分離出梭狀芽孢桿菌。最近美國科學(xué)家找到一種嗜鹽桿菌,其所含的一種紫色素可直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,電池里的單細(xì)胞藻類首先利用太陽能,將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為糖,再讓細(xì)菌自給自足地利用這些糖來發(fā)電。Pizzariello等[41]設(shè)計的兩極室葡萄糖氧化酶/辣根過氧化物酶酶燃料電池,在不斷補(bǔ)充燃料的情況下可以連續(xù)工作30d以上,具有一定的實(shí)用價值。

3應(yīng)用前景

微生物作為生物能的主要參與者,其最大特點(diǎn)就是清潔、高效、可再生,與石油、煤炭等傳統(tǒng)能源相比,有利于環(huán)境保護(hù),與太陽能、核能、風(fēng)能、水能、海洋能等新能源相比,其來源廣、成本低、受地理因素影響小。雖然目前存在一些技術(shù)問題,但開發(fā)潛力是巨大的,利用前景是廣闊的。不僅如此,微生物在現(xiàn)有的非可再生能源利用上也功不可沒,可提高石油開采率和褐煤利用率,降低二者的污染效應(yīng),當(dāng)之無愧地成為實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵因素。利用微生物生產(chǎn)能源和對其進(jìn)行利用,不僅沒有環(huán)境污染問題出現(xiàn),而且還可使目前污染嚴(yán)重的環(huán)境狀況得以緩解。更有發(fā)展前景的是,生產(chǎn)和使用微生物能源可以治理污染,變廢為寶獲得綜合效益。

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