蓝藻高效光合作用产氢的调控及其与厌氧发酵产沼气偶联新型工艺的研究

Hydrogen is not only clean renewable fuels but also an improtant petrochemical raw material. The most environmentally friendly strategy, biological pathway is regarded as the most cost-effective and green hydrogen production method, and cyanobacteria is such a excellent candidate for the photoautotrophic growth. The low efficiency of solar energy conversion for hydrogen production is one of the major bottlenecks for the application of cyanobacterial photo-H2 production. In this study, a novel strategy was presented as photosynthetic electron pathway regulation to increase the photo-H2 production ability. Artificial electron regulator and genetic modification are two major methods to achieve such a regulation. At the same time, we are eager to construct a combination process with photo-H2 and anaerobic biogas production in which a relative high efficiency for solar energy production will be obtained.

氢不仅是清洁的可再生燃料，而且是重要石油化工原料。目前最环境友好且低成本的绿色制氢方法是生物制氢技术。蓝藻是结构简单的光合自养生物，许多藻种只需要在海水、空气和阳光照射的条件下就能很好的生长，积累大量的生物质。因此，蓝藻光合产氢被认为是一种十分经济，并且具有可再生特性的氢生产形式。 但是，蓝藻光合产氢过程的效率十分低下，使得这种原料低成本的产氢工艺的应用仍然十分困难。在前人研究的基础上，本课题创新性的从光合电子传递的角度出发，利用人工电子受体以及遗传改造的手段对藻细胞产氢能力进行调控，在探索机制的同时，提高其产氢效率。为了最终获得高效的太阳能转化过程，我们还首次尝试将蓝藻光合产氢与藻细胞生物质厌氧降解产甲烷过程进行偶联，对储存在藻细胞内的太阳能进行深层次的转化，从根本上提高能量转化效率。

氢气是重要的化工原料，也是零污染的高效能源，而环境友好型的产氢方式亟待开发。蓝藻光合制氢是一种利用太阳能进行产氢的清洁可再生途径，近年来受到广泛深入研究。光能转化率低是限制蓝藻光合产氢规模化应用开发的主要瓶颈。导致这一问题的直接原因是产氢酶系统光合电子传递活性低。本研究通过光合电子传递的生理调控以及定向遗传改造，显著提高了蓝藻光合产氢活性以及光能转化效率。实验表明，适度抑制细胞光解水放氧活性，可显著促进异形胞内光系统I（PSI）介导的光能产氢。在实验室规模反应体系下，氢气积累量从0.4umol提高到141.1umol，产氢速率提高10倍，产氢时间延长到250小时以上。在此基础上，检测到平均日光能转化率最高达到2.3%，处于微藻产氢国际顶尖水平，为同类型藻种国内外报道最高。以模式产氢蓝藻Anabaena sp. PCC 7120为材料，课题在细胞水平和分子生物学水平的机制探索初步揭示了高效光合产氢的工作模式：在厌氧环境下储能物质-glycogen，被细胞分解产生大量电子和还原力物质，同时，PSI在光能驱动下介导电子传递到产氢酶系统进行质子的还原反应产生大量氢气(请参见正文附图1)。在前人研究基础上，结合高产氢细胞分子生物学表征，课题组以异形胞ferredoxin蛋白和固氮酶为目标进行遗传改造，并获得了高效光合产氢突变株，产氢活性提高5倍左右，遗传稳定性好。为了深入探索蓝藻高效光合产氢分子机制，课题组利用冷冻电子显微镜平台，成功解析该过程核心分子机器PSI原子分辨率三维结构。结构表明Anabaena sp. PCC 7120 PSI复合体以异源四聚物的形式存在，这不同于传统认知中蓝藻PSI普遍为三聚物的结论。高分辨率结构揭示了PSI复合物在细胞内首先形成两种不同类型的二聚体形式，二聚体之间通过非共价作用力形成最终四聚体大复合物。有研究称，四聚体形式PSI复合体具有更高的光能利用率，为本研究PSI介导的高效光产氢提供了结构证据。蓝藻细胞光产氢利用glycogen作为物质来源，而不易降解成分如细胞壁组分，包括纤维素和肽聚糖层等同样储存了大量太阳能。为了深入转化这部分太阳能，我们利用菌群发酵过程，将上述成分转化为富含CH4和H2的沼气能源。光合产氢和菌群发酵的耦合深度转化了光合作用吸收的太阳能。实验过程测得最高光能转化率为4.8%，平均光能转化率达3.8%，均为国内外报道最高