能源性微生物的研究現狀與應用前景

龐鳳仙 崔彥如 安明哲 張永鋒

摘要甲烷產生菌、乙醇產生菌、氫氣產生菌、生物柴油產生菌、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生能源的代謝作用機理,探討了利用微生物生產能源的應用現狀和發(fā)展前景。

關鍵詞微生物;生物能源;研究現狀;應用

中圖分類號 Q939.9 文獻標識碼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生菌、乙醇產生菌、氫氣產生菌、生物柴油產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化有直接的關系[2-4]。能源微生物以農業(yè)、林業(yè)廢棄物和城市垃圾為原料產生綠色、可再生能源,對社會和環(huán)境的和諧發(fā)展具有重要意義。進一步了解和應用能源微生物是綠色農業(yè)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展中的1個重要而深遠的研究課題,有待于進一步的研究、開拓和探索。

1能源微生物種類及轉化機理

根據安斯沃思(Ainsworth)的分類系統,伯杰(Bergeys)細菌鑒定法和洛德(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]。其作用是在生物質原料的厭氧發(fā)酵過程中,產生以甲烷為主的沼氣[6]。

乙醇產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]。其作用是將復雜有機物酵解生成乙醇[8]。

氫氣產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)、藍細菌類硫螺菌屬(Thiospirillum)、板硫菌屬(Thiopedia)、梭桿菌屬(Fusobacterium)、閃囊菌屬(Lamprocystis)、網硫菌屬(Thiodictyon)、埃希氏菌屬(Escherichia)等[9]。生物制氫是利用產氫微生物的生理代謝過程發(fā)酵產生氫氣[10]。

產油微生物包括酵母、霉菌、細菌和藻類,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)、斯達氏油脂酵母(Lipomyces)、產油油脂酵母(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、碳氫化合物和普通油脂等碳源轉化為菌體內大量儲存的油脂[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]方面有良好的應用前景。

2能源微生物研究與應用概況

2.1甲烷產生菌

近20年來,我國科研工作者對厭氧消化處理中的產甲烷菌進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)現一些新的產甲烷菌種,2000年孫征發(fā)現的彎曲甲烷桿菌Px1[30],極大地促進了產甲烷菌的研究進程。我國現在采用人畜糞便、農副產品下腳料、酒糟廢液和其他工業(yè)生產中的廢液等生產甲烷,用于照明、燃燒等,其使用價值是相當可觀的。例如日產酒糟500~600m3的酒廠,可日產含甲烷55%~65%的沼氣9 000~11 000m3,相當于日發(fā)電量12 857~15 714KW,日產標準煤17.1~20.9t,可以代替橡膠生產中烘干用油的30%~40%。我國年產木材采伐廢物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30%~60%,并可獲得單細胞蛋白飼料約9萬噸(按1.7%得率計)[31]。

2.2乙醇產生菌

燃料乙醇具有燃燒完全、效率高、無污染等特點,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、荷蘭等農業(yè)資源豐富的國家,也在進行燃料酒精的生產[32]。我國纖維素資源充足,年產植物秸稈約6億噸,如果其中的10%經微生物發(fā)酵轉化,就可生產出乙醇燃料近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入釀酒酵母,首次成功構建出利用葡萄糖和木糖生產乙醇的工程酵母。Sonderegger等[35]將多個異源基因導入代謝木糖的酵母工程菌,重組酵母不僅降低副產物木糖醇的量,所得乙醇產量比親株提高25%?，F有乙醇菌種大多耐受力差、副產物多、對發(fā)酵條件要求苛刻,今后研究應致力于篩選優(yōu)良性狀的菌株,或利用基因工程手段選育高產纖維素酶、木質素酶菌種以及能克服上述問題的菌種,對其酶學特性、功能基因進行研究,優(yōu)化發(fā)酵條件,輔以工藝措施的改進,提高燃料乙醇生產效率并降低成本。

2.3氫氣產生菌

微生物制氫是一項利用微生物代謝過程生產氫氣的生物工程技術,所用原料有陽光、水,或是有機廢水、秸稈等,能克服工業(yè)制氫能耗大、污染重等缺點;同時,由于氫氣的可再生、零排放優(yōu)點,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行產氫。丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、產氣腸桿菌(Enterobacter aerogenes)和麥芽糖假絲酵母(Candida maltose)在36℃混合發(fā)酵廢棄物48h,產氫速率可達15.42mL/h·L,明顯高于單個菌種。此外,利用豆渣、堆肥、活性污泥產氫的報道相繼問世。目前的研究應努力改進生產工藝,逐漸明確微生物產氫機理,保證其在產氫過程中的高效性、穩(wěn)定性和對不同生態(tài)條件的適應性,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產油微生物

目前,國內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脂微生物菌種與生產工藝[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)微生物油脂生產生物柴油,在降低污染、增加產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,還可以利用木質纖維素、工業(yè)廢水、廢氣等資源豐富、價格低廉的原料進行生產,既能夠解決人類資源短缺的問題,又可以保護環(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驗室(NREL)認為,微生物油脂發(fā)酵可能是生物柴油產業(yè)和生物經濟的重要研究方向[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能轉化為電能,不僅無污染、效率高、反應條件溫和,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活性的微生物,電池運行3年多,并從中分離出梭狀芽孢桿菌。最近美國科學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化為電能,電池里的單細胞藻類首先利用太陽能,將二氧化碳和水轉化為糖,再讓細菌自給自足地利用這些糖來發(fā)電。Pizzariello等[41]設計的兩極室葡萄糖氧化酶/辣根過氧化物酶酶燃料電池,在不斷補充燃料的情況下可以連續(xù)工作30d以上,具有一定的實用價值。

3應用前景

微生物作為生物能的主要參與者,其最大特點就是清潔、高效、可再生,與石油、煤炭等傳統能源相比,有利于環(huán)境保護,與太陽能、核能、風能、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,當之無愧地成為實現能源可持續(xù)發(fā)展目標的關鍵因素。利用微生物生產能源和對其進行利用,不僅沒有環(huán)境污染問題出現,而且還可使目前污染嚴重的環(huán)境狀況得以緩解。更有發(fā)展前景的是,生產和使用微生物能源可以治理污染,變廢為寶獲得綜合效益。

4參考文獻

[1] 吳創(chuàng)之,馬隆龍.生物質能現代化利用技術[M]. 北京:化學工業(yè)出版社,2003.

[2] 祖波,祖建,周富春,等.產甲烷菌的生理生化特性[J].環(huán)境科學與技術,2008,31(3):5-7.

[3] LASER M,SEHULMAN D,ALLEN S G. A comparison of liquid hot water and steam pretreatments of sugar cane bagasse for bioconversion to ethanol[J]. Bioresource Technology,2002,81(1):33-44.

[4] 樊耀亭,廖新成,盧會杰,等.有機廢物氫發(fā)酵制備生物氫氣的研究[J].環(huán)境科學,2003,24(3):10-13.

[5] 王劉陽,尹小波,胡國.分子生物學技術在產甲烷古菌研究中的應用[J].中國沼氣,2008,26(1):19-24.

[6] 劉亭亭,曹靖瑜.產甲烷菌的分離及其生長條件研究[J].黑龍江水專學報,2007,34(4):120-122.

[7] MOSIER N,WYMAN C E,DALE B E. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass[J].Bioresource Technology,2005,96(3):673-686.

[8] 李白昆,呂炳南,任南琪.厭氧產氫細菌發(fā)酵類型和生態(tài)學的研究[J].中國沼氣,1997,15(2):3-7.

[9] 張聚寶,林影,向柱方.一株可利用甘蔗渣水解液發(fā)酵酒精的菌株篩選[J].生物加工過程,2004,2(3):60-62.

[10] 任南琪,李建政,林明,等.產酸發(fā)酵細菌產氫機理探討[J].太陽能學報,2002,23(1):124-127.

[11] 蒲海燕,賀稚非,劉春芬.微生物功能性油脂研究概況[J].糧食與油脂,2003(11):12-14.

[12] RATLEDGE C,WYNN J.The biochemistry and molecular lipid accu-mulation in oleaginous microorganisms[J].Microbiology,2002(51):1-51.

[13] JAMES P,WYNN A,HAMID A,et al. Biochemical events leading to the diversion of carbon into storage lipids in the oleaginous fungi Mucor circinelloides and Mortierella alpine[J].Microbiology,2001(147):2857-2864.

[14] KIM H J,PARK H S,HYUN M S,et al. A mediator-less microbial fuel cell using a metal reducing bacterium,Shewanella putrefaciens[J]. Enzyme Microbiology Technology,2002(30):145-152.

[15] IEROPOULOS I A,GREENMAN J,MELHUISH C. Comparative study of three types of microbial fuel cell[J].Enzyme Microbiology Tec-hnology,2005(37):238-245.

[16] RABAEY K,BOON N,SICIKIANO S D,et al. Biofuel cells select for microbial consortia that self-mediate electron transfer[J].Apply Enviro-nment Microbiology,2004,70(9):5373-5382.

[17] BOND D R,LOVLEY D R. Electricity production by geobacteria sulfur reducens attached to electrodes[J].Applying Environment Micro-biology,2003,69(3):1548-1555.

[18] PARK H S,KIM B H,KIM H S,et al. A novel electrochemically active and Fe(III)reducing bacterium phylogenetically related to Clostridium butyricum isolated from a microbial fuel cell[J].Anaerobe,2001,399(7):297-306.

[19] CHAUDHURI S K,LOVLEY D R. Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells[J].Nature Biote-chnology,2003,21(10):1229-1232.

[20] RABAEY K,LISSENS G,SICILIANO S D,et al. A microbial fuel cell capable of converting glucose to electricity at high rate and efficiency[J]. Biotechnology Letter,2003(25):1531-1535.

[21] CHANG I,HYUNSOO M,JAE J K,et al. Improvement of a microbial fuel cell performance as a BOD sensor using respiratory inhibitors[J]. Biosense Bioelectron,2005(20):1856-1859.

[22] JANG J K,PHAM T H,CHANG I S,et al. Construction and operation of a novel mediator and membraneless microbial fuel cell[J].Process Bio-chemisty,2004(39):1007-1012.

[23] 錢澤澍.從我國沼氣池污泥中分離出兩種產甲烷桿菌[J].中國沼氣,1983,13(2):13.

[24] 趙一章.產甲烷菌選擇性連續(xù)富集的研究—青霉素對富集和分離的影響[J].中國沼氣,1984,3(2):31.

[25] 張輝,趙一章.嗜熱產甲烷桿菌的分離和特征[J].中國沼氣,1985,3(5):54-61.

[26] ZHANG Y Z,ZHANG H. Isolation and Charaeterization of a Fast-Growing,Thermophilie Methanobaeterium Speeies[J].Apply and Envi-ronment Microbiology,1986,5(4):1227-1229.

[27] 劉光燁,趙一章.滬酒老窖泥中布氏甲烷桿菌的分離和特性[J].微生物學通報,1987,1(4):45-52.

[28] 閡航,錢澤澍.管道厭氧消化器處理檸檬酸生產廢水中的微生物學特性Ⅱ.產甲烷菌區(qū)系分析[J].中國沼氣,1987,4(5):95.

[29] 陳美慈,錢澤澍.嗜熱甲烷桿菌TH-6菌株的特征[J].中國沼氣,1988,2(3):106.

[30] 孫征,周宇光,東秀珠.一個甲烷桿菌新種的描述和系統分類學研究[J].微生物學報,2001,3(41):265-269.

[31] 蘇曉渝.生物能源(Biomass)的現狀與前景[J].國際化工信息,2001(4):6-9.

[32] 葉茜,李學亞.微生物與清潔能源[J].中國資源綜合利用,2006,24(6):15-17.

[33] 孫智謀,蔣磊,張俊波.世界各國木質纖維原料生物轉化燃料乙醇的工業(yè)化進程[J].釀酒科技,2007(1):91-94.

[34] HO N W,CHEN Z,BRAINARD A P,et al. Successful design and development of genetically engineered Saccharomyces yeasts for effective cofermentation of glucose and xylose from cellulosic biomass to fuel ethanol[J]. Advance Biochemistry Engineering Biotechnology,1999,65:163-192.

[35] SONDEREGGER M,SCH?MPERLI M,SAUER U. Metabolic eng-ineering of a phosphoketolase pathway for pentose catabolism in Saccharomyces cerevisiae[J].Applying Environment Microbiology,2004, 70(5):2892-2897.

[36] 楊素萍,趙春貴,曲音波.生物產氫研究與進展[J].中國生物工程雜志,2002,22(4):44-48.

[37] 張薇,李魚,黃國和.微生物與能源的可持續(xù)開發(fā)[J].微生物學通報,2008,35(9):1472-1478.

[38] 黃建忠,施巧琴,吳松剛.高產脂微生物深黃被孢霉M-018變株的選育及其油脂合成條件的研究[J].藥物生物技術,1998(4):31-35.

[39] HABERMANN W,POMMER E H. Biological fuel cells with sulphide storage capacity[J].Applying Microbiology Biotechnology,1991(35):128-133.

[40] KIM H J,PARK H S,HYUN M S,et al. Enrichment of microbial community generating electricity using a fuel-cell-type electrochemical cell[J]. Applying Environment Microbiology,2003(63):672-681.

[41] PIZZARIELLO A,STREDANSKY M,MIERTUS S.A glucose/hyd-rogen peroxide biofuel cell that uses oxidase and peroxidase as catalysts by composite bulk-modified bioelectrodes based on a solid binding matrix[J]. Bioelectrochemistry,2002(56):99-105.