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微电极研究系统在微藻产氢领域的应用

导语:着能源紧缺的日益加剧, 以及化石燃料燃烧引起的环境问题逐渐突显, 氢能作为一种清洁可再生能源越来越受到青睐。生物制氢与热化学及电化学制氢相比其反应条件温和、低耗、绿色, 是一项非常有应用前景的技术。生物制氢从广义上可以分为暗发酵和光发酵产氢两种, 其中暗发酵微生物可以利用有机废弃物产生氢气以及有机酸等副产物, 光合细菌在光照和固氮酶的作用下可以将暗发酵产生的有机酸继续用于产氢,两种发酵产氢方式相结合可以提高有机废物的资源化效率。

最近几年有研究者将氢气微电极应用于微藻的生物发酵制氢领域研究中(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11961 –11965,  Nature Geoscience . 2017, 10, 30-36  IF=25)。

微电极测试微藻产氢的示意图

例如Xiong团队以商业化的小球藻为实验对象,通过仿生硅矿化诱导了小球藻的聚集,并通过适当的聚集,实现了小球藻细胞在空间上的放氧和产氢的功能分化,从而实现了小球藻聚集体在有氧条件下可持续的光合产氢。实验中的小球藻细胞内的氧气和氢气都是使用了商业化的微电极系统(丹麦unisense氢气微电极)测试所获得的。首次实现了在自然的有氧条件下的可持续光合产氢,为生物光合产氢的研究和微藻生物能源的制造提供了全新的思路,有望拓展到诱导其它微生物的功能转变方面的研究应用之中去。这项研究可以帮助科学家在未来能够借助自然界中现成的“设备”(藻类物质),来制造氢气,获取一种绿色的能源(氢气)。微藻除了光照条件下发酵能实现生物产氢,微藻暗发酵产氢气也是一种生物产氢的方式,这种产氢的过程中不需要光照,产氢的过程中无氧气的生成,同时容易实现连续的产氢,所需的底物为微藻本身,不需要额外添加其他的物质,近些年有科学家就此方面展开了研究,Michael F.等人通过研究靠近大陆架结构区域的具有渗透特性的沉积物中的微藻暗发酵过程中通过厌氧发酵过程产氢并产生溶解性无机碳,证实了沉积物中的微藻进行暗发酵是一种重要代谢途径,从而更好的了解生态系统中的碳矿化的分子途径以及氢气的代谢。在研究海洋沉积物中的微藻的暗发酵实验过程中使用了unisense氢气微电极测试了沉积物中的氢气浓度,研究了含有不同组成的沉积物中对于微藻进行暗发酵过程中的氢气生成速率的影响,从而获取了关于在缺氧环境中微藻通过沉积物中的微藻实现了暗发酵产氢的过程的机制,在渗透性沉积物中的实现了通过微藻的暗发酵过程产氢实现了一种新的能源存储方式。这也说明unisense微电极系统在研究深海的海洋沉积物方面存在着很好的应用前景。

微藻暗发酵产氢过程示意图

丹麦UNISENSE公司开发的基于气体检测的微电极系统在水环境、海洋沉积物环境科学、生物医学、生物技术、微生物学等多种领域存在广泛的应用,UNISENSE公司目前已经开发出氢气、氧气、硫化氢、一氧化氮、氧化亚氮等气体的微电极。从以上的描述来看,UNISENSE公司开发的氢气微电极在生物制氢领域的应用也非常有前景。

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