氢气与蓝藻――解决能源短缺的新途径

摘要：介绍了一种新的高效制氢方法――蓝藻制氢。论述了蓝藻中可固氮的异形胞蓝细菌在固氮的同时由固氮酶和氢酶产生氢气的生物方法，如何利用生物中营养胁迫状态实现可逆氢酶连续高效产氢，使蓝藻制氢工业化生产具有可行性，成为解决能源短缺的新途径。

关键词：蓝藻 生物制氢 可逆氢酶 能源短缺

氢气作为世界上最轻的气体，其用处可大了。小孩子看到飘在天上的氢气球笑逐颜开，液态氢为火箭升空助上一臂之力，其高达3000℃火焰能焊接金属……然而，氢气最主要的用途还是作为未来世界的能源物质，解决人类日益严重的能源问题。氢是一种燃烧热值高、无污染的理想能源。将氢气作为能源，这就需要进行工业上的大规模生产。现有的工业制氢技术主要是化石燃料制氢和电解水制氢，分别利用了化学能和电能，其消耗之巨大甚至让制氢变的得不偿失，这一度让工业大规模生产氢作为能源的希望变的渺茫。但是，有一股巨大的能量，是我们每天都在无偿获得的，它在一天中一半的时间里都存在于我们的身边，我们人类不需要为利用它付出任何代价。它就是太阳能，试想，如果能将太阳能转化成氢能，那制氢的能量来源问题就得到了彻底的解决――无私的太阳是不会吝啬它的能量的。说起来容易，可是靠什么来把太阳能转化成氢能呢？现在已经有用物理或者化学的方法通过太阳能电解水来获得氢气。然而这些方法技术要求高，设备要求严格，且反应剧烈，不易控制。与之相比，微生物产氢是一条反应条件温和、能够利用可再生资源、环境友好的途径。如何利用微生物产氢呢？这就要靠一种我们肉眼看不见的微小的原核细菌――蓝藻。

我们通过生物课程对蓝藻的了解是它能进行光合作用，放出氧气，为人类在地球上维持生存做了贡献。然而，自从国外科学家Benemann和Weare发现了柱孢鱼腥藻（Anabaena cylindrica）在光照氩气环境中的放氢现象，用蓝藻获得氢气的技术开始进入人们的视野，并且吸引了越来越多的科学家投身其中。

那么，蓝藻是如何超出我们的常识，产生氢气的呢？这就是我要给大家介绍的蓝细菌（即蓝藻）制氢技术。

在庞大的蓝细菌家族中，有一种可以进行固氮的蓝细菌，称为异形胞蓝细菌。在固氮的过程中，便会产生氢气。

N2+8H++8e-+16ATP2NH3+H2+16ADP+16Pi

异形胞蓝细菌放氢是由细胞中参与氢代谢的酶即固氮酶和氢酶的共同作用引起的，其中氢酶包括吸氢酶和可逆氢酶（或称双向氢酶）。固氮酶催化了上述反应，而氢酶可以催化反应：

2H++2e-H2

大家可能观察到上面的方程式中的箭头是双向的。其中正向的反应生成了我们所希望得到的氢，这是可逆氢酶的功劳。可是逆向反应却又将生成的氢“打回原形”。这可就是吸氢酶在捣乱。吸氢酶能把好不容易还原得到的氢气又氧化成氢离子。于是，我们就要想办法去掉蓝细菌中的吸氢酶，而将可逆氢酶保留下来。通过化学诱变或者基因工程的方法，使吸氢酶基因失活，从而无法合成吸氢酶，可以达到这种目的。

光从这样看好像就功德圆满了，既生成了氢，生成的氢又不会被消耗掉，这样制氢不就成功了吗？可惜事情往往不是我们想象的那么简单。经过上述处理的异形胞蓝细菌虽然能够实现相对较高的产氢效率，但仍不能达到大规模产氢的要求（一般认为，10%的光能转化效率是大规模制氢所需要的）。异形胞蓝细菌产氢的主要限制在于异形胞蓝细菌主要是利用其异形胞内的固氮酶放氢，H2仅是固氮酶催化作用的副产物，固氮酶由于其本身的特征，其催化作用需要消耗较多的ATP（每转移1个电子至少2个ATP），从而严重限制了氢的产率，降低了光能转化为H2的效率。

如何解决这个问题呢？前文提到过，蓝细菌固氮的方式有两种，一种是通过固氮过程生成氢，另一种则是通过可逆氢酶。既然通过固氮过程制氢行不通，那么就只能通过可逆氢酶的途径来制氢了。而异形胞蓝细菌利用可逆氢酶放氢的主要限制因素是需要实现相对严格的缺氧条件。但是大家都知道，蓝细菌是可以进行光合作用的，这样就不可避免的使蓝细菌处于富氧状态中。看来，只有通过抑制蓝细菌的光合作用才能达到我们的最终目的。

在生物中，有一种称为营养迫胁的状态。它是指生物处于缺少一种或多种生长所必须的营养素的状态中，其正常生理过程与新陈代谢受到一定影响。利用对异形胞蓝细菌光合放氧敏感的硫、磷和碳酸氢盐缺失等条件，抑制氧的释放，有可能使培养系统处于缺氧状态，从而诱导可逆氢酶放氢。这样，就可能实现异形胞蓝细菌基于营养胁迫的利用固氮酶和可逆氢酶两阶段产氢的模式，即在正常营养条件下，异形胞蓝细菌进行正常的光合作用，利用异形胞内的固氮酶放氢；在营养胁迫条件下，异形胞蓝细菌则主要利用营养细胞内的可逆氢酶放氢。这样，异形胞蓝细菌可逆氢酶的放氢能力就可以得到利用，异形胞蓝细菌就可能实现连续高效产氢，从而进一步提高氢的产率。

这样，在获得了理想的蓝细菌与生长条件之后，只需通过发酵工程扩大培养，使其达到一定规模，便可满足工业化生产的要求，从而得到大量的氢。

总体上看，蓝细菌制氢不同于物理或者化学法制氢。它通过生物方法，充分利用了神奇的造物主给我们人类遗留的宝物，以最自然、最贴近生态的方法满足了我们人类高标准的物质需求。这不能不说是人类的另一种智慧。

虽然这项技术仍处于研究阶段，还有许多技术性难题没有解决。但是，我相信这种以不伤害自然的方法获得我们人类所需能源的途径必将获得成功。它不仅将为我们人类解决能源短缺问题做出了巨大的贡献，也为我们人类与自然达到最终的和谐共处提供了范本。而它，就在不远的未来。