微生物與能源

微生物與能源第1頁(yè)/共19頁(yè)微生物與能源第2頁(yè)/共19頁(yè)1．能源性微生物的主要種類2．能源性微生物的能源產(chǎn)生機(jī)理3．能源性微生物目前應(yīng)用概況4．利用微生物生產(chǎn)能源的前景第3頁(yè)/共19頁(yè)1．能源性微生物的主要種類根據(jù)安斯沃思（Ainsworth）的分類系統(tǒng)，運(yùn)用世界上主要依據(jù)的伯杰（Bergey's1923—1957）細(xì)菌鑒定法和洛德（Lodder1970）的酵母菌等鑒定法分類鑒定表明，能源性微生物的主要種類是：甲烷產(chǎn)生菌乙醇產(chǎn)生菌氫氣產(chǎn)生菌第4頁(yè)/共19頁(yè)甲烷產(chǎn)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。第5頁(yè)/共19頁(yè)乙醇產(chǎn)生菌的主要種類有酵母菌屬（Saccharomyces）、裂殖酵母菌屬（Schizosaccharomyces）、假絲酵母屬（Candida）、球擬酵母屬（Torulopsis）、酒香酵母屬（Brettanomyces）、漢遜氏酵母屬（Hansenula）、克魯弗氏酵母屬（Kluveromyces）、畢赤氏酵母屬（Pichia）、隱球酵母屬（Cryptococcus）、德巴利氏酵母屬（Debaryomyces）、卵孢酵母屬（Oosporium）、曲霉屬（Aspengillus）等。第6頁(yè)/共19頁(yè)氫氣產(chǎn)生菌的主要種類有紅螺菌屬（Rhodospirillum）、紅假單胞菌屬（Rhodopseudomonas）、紅微菌屬（Rhodomicrobium）、莢硫菌屬（Thiocapsa）、硫螺菌屬（Thiospirillum）、閃囊菌屬（Lamprocystis）、網(wǎng)硫菌屬（Thiodictyon）、板硫菌屬（Thiopedia）、外硫紅螺菌屬（Ectothiorhodospira）、梭桿菌屬（Fusobacterium）、埃希氏菌屬（Escherichia）、藍(lán)細(xì)菌類等。第7頁(yè)/共19頁(yè)2．能源性微生物的能源產(chǎn)生機(jī)理

2．1甲烷產(chǎn)生菌的作用機(jī)理是沼氣發(fā)酵過(guò)程。第一階段是復(fù)雜有機(jī)物如纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等在微生物作用下降解至其基本結(jié)構(gòu)單位物質(zhì)的液化階段。第二階段是將第一階段中產(chǎn)生的簡(jiǎn)單有機(jī)物經(jīng)微生物作用轉(zhuǎn)化生成乙酸；第三階段是在甲烷產(chǎn)生菌的作用下將乙酸轉(zhuǎn)化為甲烷。第8頁(yè)/共19頁(yè)2．2乙醇產(chǎn)生菌的作用機(jī)理是酒精發(fā)酵作用，即把葡萄糖酵解生成乙醇。微生物酵解葡萄糖的途徑是EMP（糖酵解途徑），HMP(戊糖磷酸途徑)和ED（2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途徑）第9頁(yè)/共19頁(yè)EMP途徑，又稱糖酵解或己糖二磷酸途徑，是細(xì)胞將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸的代謝過(guò)程，總反應(yīng)為：C6H12O6+2NAD++2Pi+2ADP→2CH3COCOOH（丙酮酸）+2NADH+2H++2ATP+2H2O。EMP途徑是指在無(wú)氧條件下，葡萄糖被分解成丙酮酸，同時(shí)釋放出少量ATP的過(guò)程。第10頁(yè)/共19頁(yè)HMP(戊糖磷酸途徑)：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O→5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+PiHMP途徑降解葡萄糖的三個(gè)階段：葡萄糖經(jīng)過(guò)幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO2核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構(gòu)化或表異構(gòu)化而分別產(chǎn)生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸上述各種戊糖磷酸在無(wú)氧參與的情況下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生己糖磷酸和丙糖磷酸。第11頁(yè)/共19頁(yè)ED(Entner-Doudoroff)途徑，又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途徑這條途徑是Entner和doudoroff在研究嗜糖假單胞菌的代謝時(shí)發(fā)現(xiàn)的，所以簡(jiǎn)稱為ED途徑。這是存在于某些缺乏完整EMP途徑的微生物中的一種替代途徑，為微生物所特有。特點(diǎn)是葡萄糖只經(jīng)過(guò)4步反應(yīng)即可快速獲得由EMP途徑須經(jīng)10步反應(yīng)才能夠形成的丙酮酸。第12頁(yè)/共19頁(yè)3．能源性微生物目前應(yīng)用概況甲烷產(chǎn)生菌所產(chǎn)生的能源是當(dāng)前已獲大量實(shí)際應(yīng)用的一種微生物能源。我國(guó)現(xiàn)在正用人畜糞便、農(nóng)副產(chǎn)品下腳料、酒糟廢液和其他工業(yè)生產(chǎn)中的廢液等生產(chǎn)甲烷，用于照明、燃燒等，其使用價(jià)值是相當(dāng)可觀的。例如日產(chǎn)酒糟500～600m3的酒廠，可獲得日產(chǎn)含甲烷55％～65％的沼氣9000～11000m3，相當(dāng)于日發(fā)電量12857～15714kw，日產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)煤17.1～20.9t，可以代替橡膠生產(chǎn)中烘干用油的30％～40％。第13頁(yè)/共19頁(yè)2．3氫氣產(chǎn)生菌的作用機(jī)理主要是丁酸發(fā)酵作用。除在丁酸菌作用下進(jìn)行丁酸發(fā)酵外，氫氣產(chǎn)生菌的其他分解有機(jī)物產(chǎn)生氫氣的代謝機(jī)制目前尚未查清。第14頁(yè)/共19頁(yè)乙醇產(chǎn)生菌生產(chǎn)的能源性物質(zhì)，目前主要用于燃料和替代汽車等運(yùn)輸工具所使用的汽車用油（如汽油和柴油）。例如巴西用乙醇產(chǎn)生菌生產(chǎn)的乙醇1990年已達(dá)到1.6×107m3，足夠供應(yīng)200萬(wàn)輛汽車的驅(qū)動(dòng)能源之需要。第15頁(yè)/共19頁(yè)氫氣產(chǎn)生菌生產(chǎn)的能源物質(zhì)氫氣，目前主要是應(yīng)用于燃料電池方面。由于許多自養(yǎng)性和異養(yǎng)性微生物產(chǎn)氫的機(jī)制和條件還在研究過(guò)程中，所以該類微生物能源的使用尚處于試驗(yàn)階段。已有的研究結(jié)果表明，氫氣產(chǎn)生菌在含有葡萄糖培養(yǎng)基的10L發(fā)酵罐中，產(chǎn)H2速度最高可達(dá)18～23L／h，并進(jìn)而利用所產(chǎn)生的H2推動(dòng)功率為3.1～3.5V燃料電池的工作。第16頁(yè)/共19頁(yè)4．利用微生物生產(chǎn)能源的前景

我國(guó)雖已探明煤儲(chǔ)量6000億t，石油70億t，水力發(fā)電6.8億kw，但由于1978年以來(lái)我國(guó)總的能源利用率已超過(guò)30％，能源分布不均勻，能源產(chǎn)量低和農(nóng)村能源供應(yīng)短缺等因素，致使能源供應(yīng)趨于緊張。開發(fā)利用微生物能源，在這方面可以起到顯著的緩解作用。特別是在農(nóng)村年產(chǎn)稻殼3225萬(wàn)t，玉米芯1250萬(wàn)t，甘蔗渣400萬(wàn)t，棉籽殼200萬(wàn)t，糠醛渣30萬(wàn)t，人畜糞便1380萬(wàn)t的條件下，可用微生物作用年產(chǎn)沼氣達(dá)14.28×108m3，相當(dāng)于25.94×106t標(biāo)準(zhǔn)煤，從而徹底改變現(xiàn)在農(nóng)村能源短缺的狀況。第17頁(yè)/共19頁(yè)我國(guó)現(xiàn)在因利用能源而導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，例如,煙塵和SO2年排放量為285