CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
自然空气条件下全细胞催化光生物学制氢
陈杰
Subtype博士
Thesis Advisor王丽华
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword莱茵衣藻 大肠杆菌 氢酶 光生物学制氢 化学-酶级联反应
Abstract氢气由于其存储能量高,并且反应的最终产物仅仅是水,因此是一种绿色的、环境友好的、最为理想的可用于替代化石燃料的能源物质。然而目前,可供于商业应用的氢气仍然是来源于天然气重整或者甲烷蒸汽重整,而这种制氢方式依然需要化石能源的消耗,所以无法实现纯绿色、零碳元素排放的氢能源的本质要求。在一系列新兴发展的制氢方法当中,光生物学制氢,因为其具有直接利用太阳能作为能量来源,和利用可再生的生物酶、生物体作为催化剂的优势,所以是最具有应用前景的、可持续发展的制氢方法。本论文构建了两种具体的光生物学制氢体系,然后研究了它们各自产生氢气的能力,以及分析了它们内在的氢气生成原理。第一部分:莱茵衣藻自然空气条件下光生物学制氢,为第二章。第二章中,我们使用莱茵衣藻作为全细胞催化剂,并通过引入一个具有强劲氧气消除能力的,同时还能够维持体系p H的化学-酶级联反应,从而实现了在自然空气条件下持续光生物学制氢。莱茵衣藻之所以能够产生氢气是因为其在厌氧环境下能够表达一种具有高效催化氢气生成的铁铁氢酶,铁铁氢酶催化氢气生成首先需要厌氧环境,其次需要合适的pH条件,因此确保培养体系维持在一个适宜pH的厌氧环境是莱茵衣藻高效产生氢气的必要条件。本论文为此设计了一种化学-酶级联反应,此化学-酶级联反应是由葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶所组成的酶级联反应,和一种无机绿藻絮凝剂-氢氧化镁所组成。在此化学-酶级联反应中,葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶所组成的酶级联反应能够快速有效地消耗培养体系中的氧气,而氢氧化镁则可以中和酶级联反应的终产物葡萄糖酸,从而保证体系pH不会降低。此外,由于氢氧化镁是一种绿藻絮凝剂因此可以诱导绿藻絮凝,而绿藻絮凝物的形成则更利于体系厌氧环境的维持。实验结果表明,莱茵衣藻光照培养体系在引入此化学-酶级联反应之后,培养体系一直处于厌氧环境,pH则维持在近中性条件,从而实现了长达26天的持续光照氢气产生,并且氢气生成的平均速率达到了0.44μmol H_2 h~(-1)(mg chlorophyll)~(-1)。基于此化学-酶级联反应的莱茵衣藻制氢体系具有持久高效、制备简单、成本低廉等优势,因此非常适用于大规模商业化尺度的氢气制备。第二部分:基因工程大肠杆菌自然空气条件下光生物学制氢,为第三章。第三章中,我们使用基因工程大肠杆菌作为全细胞催化剂,使用具有良好光电效应、生物相容性理想的纳米金团簇作为光敏剂,以形成一个人工材料与人工改造的生命体杂合的光生物学制氢体系,即半人工光合作用制氢体系。在此半人工光合作用制氢体系中,纳米金团簇能有效地吸收光能而产生激发电子,人工改造的大肠杆菌因为超表达大肠杆菌镍铁氢酶Ⅰ,因此可以利用纳米金团簇受光激发所产生的电子来还原质子从而产生氢气。此外,在该半人工光合作用制氢体系中,所使用的人工光敏剂通常具有比生命体的光系统更高的光电转换效率,而使用原核生物大肠杆菌作为全细胞催化剂,可以更具操作性地人为改造其细胞代谢途径,以获得更高效的生物氢气合成途径,因此二者结合所形成的半人工光生物学制氢体系理论上可以更有效地利用太阳能并产生更多的氢气。在上述体系中引入化学-酶级联反应以在形成厌氧环境的同时维持体系pH稳定,以实现高效产生氢气的最终目的。结果表明,镍铁氢酶Ⅰ高表达的大肠杆菌产生氢气的能力显著高于普通大肠菌。在加入纳米金团簇之后,杂合的光生物学制氢体系的氢气产量是缺少纳米金团簇的基因工程大肠杆菌体系的3倍。综上所述,我们以葡萄糖,葡萄糖氧化酶,过氧化氢酶,以及氢氧化镁所组成的化学-酶级联反应作为形成厌氧环境并维持体系pH的手段,实现了以莱茵衣藻为全细胞催化剂的,持续高效长达26天的光生物学制氢体系的构建。然后,还进一步地实现了以纳米金团簇作为光敏剂,以转基因大肠杆菌为全细胞催化剂的半人工光生物学制氢体系的构建。通过本论文的研究,以及所得到的研究结果,有望推动绿藻光生物学制氢的方案应用于实际大规模商业化的氢气制备生产。此外,本论文还对如何进一步提升传统光生物学制氢的太阳能利用效率以及氢气合成效率提供了可行的解决方案。
Pages106
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32490
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
陈杰. 自然空气条件下全细胞催化光生物学制氢[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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