微生物制氢

氢气由于燃烧的产物为水而不产生任何环境污染物，而且能量密度和热转换效率高，因而是一种十分理想的“绿色”载能体。制氢方法可分为理化性的和生物性的两类。理化性的方法如将水电解为氢和氧，这必须消耗大量的电能，若将如此获得的氢气作为能源，在经济成本上难以接受。其他化学性方法也要消耗大量矿物资源，而且生产过程中产生大量污染物。生物性方法利用微生物生产氢气具有其他方法所不可比拟的优点。

在生命活动中能形成分子氢的微生物有两个主要类群：一是固氮微生物尤其是具有固氮作用的光合微生物，包括藻类和光合细菌在内。目前研究较多的主要有颤藻属、深红红螺菌、球形红假单胞菌、深红红假单胞菌、球形红微菌、液泡外硫红螺菌等。二是严格厌氧和兼性厌氧的发酵性产氢细菌。如丁酸梭状芽孢杆菌、拜氏梭状芽孢杆菌、大肠埃希氏杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌等。

1.固氮微生物和光合微生物的产氢

在具有固氮作用的微生物中，有N2等底物存在时，固氮酶进行N2的还原反应：

N2＋12ATP ＋8e－＋8H＋→2NH3＋12（ADP＋Pi）＋H2。

众所周知，固氮酶在固氮过程中，有25％甚至更多的电子流向质子形成氢，如果固氮酶并不是由MoFe蛋白而是由VFe蛋白或FeFe蛋白构成的，那流向质子的电子比例分别可达60％和80％ ，也即有更多的氢气生成。在无N2等合适底物时，固氮酶将电子全部流向放氢反应：

2H＋＋4ATP＋2e－→H2＋4（ADP＋Pi）。

具有固氮作用的光合微生物的产氢实际上是光合微生物将光合作用过程中获取的光能转换为ATP后，ATP支持固氮酶的放氢，由ATP将光合作用与固氮酶的放氢两个过程相连接。利用固氮微生物产氢需要控制电子流向N2而使其更多地流向质子。

2.发酵性细菌的产氢

发酵性细菌是另一类在代谢过程中可以产生分子氢的微生物。如糖解梭菌（Clostridium saccharolyticum）、巴斯德梭菌（C.pasteurianum）等，缺乏典型的色素系统和氧化磷酸化机制。在发酵单糖时可形成H2，一处是在葡萄糖酵解为丙酮酸过程中形成NADH，NADH在NADH：Fd氧化还原酶作用下，用电子还原氧化态的Fd，还原态的Fd在氢酶作用下形成H2。另一处是丙酮酸在丙酮酸：Fd氧化还原酶作用下脱羧过程中形成还原态的Fd，还原态的Fd与H＋在氢酶作用下生成H2。前一条途径，是由于生物体必须保持一定的NAD＋与NADH的比例和NAD＋浓度来维持其正常的生命代谢。因此，细胞内如果NADH浓度达到了一定水平，必须将电子转移给质子，使细胞内保持一定浓度的NAD＋，尽管这个过程是一个需能反应，但当环境中氢气释放到足够低浓度时，反应可向右进行。同时伴随这个过程的有氢释放。反应过程可表示如下：

NADH＋H＋NAD＋＋H2G0′＝＋18.0k J／mol

许多肠道细菌如大肠杆菌（E.coli）等在代谢过程中也可产生氢气。当其厌氧性生长于发酵性基质上时，氢酶起着氢阀的作用，通过氧化在发酵过程中的过剩还原力（NADH或NAD-PH）形成H2来保证电子载体的循环和保持氧化还原平衡。酵解形成的丙酮酸在丙酮酸：甲酸裂解酶作用下，形成乙酰-CoA和甲酸，甲酸在厌氧和缺乏合适电子受体条件下，由甲酸氢解酶复合物裂解生成CO2和H2。

现在也发现发酵性细菌的其他产氢途径。利用发酵性细菌产氢应该将发酵产氢与有机废弃物的清除、资源化结合起来，使有机废弃物转化为清洁燃料氢。