[发明专利]一种培养微藻生产氢气的方法

说明书

本发明提供了一种培养微藻生产氢气的方法，首先构建微藻的聚集体，然后将微藻的聚集体重悬于培养基中，在光照条件下培养，生产氢气。构建微藻的聚集体方法包括以下步骤：(1)将微藻细胞培养至对数生长期，且细胞密度不小于1.2×108cells/mL；(2)将带氨基的阳离子聚电解质以0.5g/L～2g/L的量加入微藻细胞溶液中进行表面改性；(3)收集微藻细胞，与2～10mM硅酸溶液混合，搅拌至微藻的聚集体形成。应用此方法实现了微藻在自然有氧条件下的可持续光产氢，克服微藻产氢持续时间短、效率低等问题。

技术领域

本发明涉及生物工程与技术领域，具体涉及一种培养微藻生产氢气的方法。

背景技术

氢气长久以来一直被人们认为是一种理想的有前途的石化能源替代物，因为它燃烧产物是水，对环境友好，并且能量效率高。当前，氢气的工业制备主要是来源于烃类化合物的蒸汽裂解和水的电解，但是这些氢气的制备方式是能源成本很高并且不可持续。氢气的绿色生产一直是一个挑战。光生物产氢被认为是一种理想的可持续的产氢途径。在自然界中，光合微生物，尤其是绿藻可以利用光合系统和氢酶将水光解为氢气和氧气(A.Hemschemeier,T.Happe.Alternative photosynthetic electron transportpathways during anaerobiosis in the green alga Chlamydomonas reinhardtii[J].Biochim.Biophys.Acta,2011,1807:919–926)。但是，这是一个短暂的过程，只发生在黑暗-光照交替的几分钟之内。因为与产氢密切相关的氢酶在氧气的氛围下会丧失催化功能。在黑暗的条件下，细胞呼吸创造厌氧环境激活氢酶，在黑暗进入光照的短暂时间内，光合系统II(PSII)产生的光合电子可以传递到氢酶上与氢质子结合生成氢气。但是光合作用产生的氧气又会使氢酶失活。因此，持续时间短和效率低限制了绿藻产氢的应用。

公开号为CN 104046651 A的专利文献公开了一种提高微藻产氢效率的方法，该方法首先将产氢微藻细胞在培养基中培养至指数生长期；然后收集该藻体细胞，将其转入包含有机物的微藻产氢培养基中，除氧、密封，在黑暗环境中继续培养一定时间，所述的有机物包括葡萄糖、果糖、乙酸、丙酮酸、3-磷酸甘油酸、苹果酸、氨基酸中的至少一种，以及前述每种有机物的钠盐、钾盐中的至少一种；最后将该微藻细胞重新置于光照环境中诱导其分解水生产氢气。实验证实，该发明通过向微藻产氢培养基中添加有机物能够显著提高微藻的产氢效率。但是该发明方法存在操作繁琐的问题，比如产氢微藻的培养基为不含硫的培养基；需要通过惰性气体吹扫、真空抽滤、超声脱气、膜分离等除氧手段制造缺氧的环境；需要在黑暗环境中培养24小时以上诱导氢酶表达等。

为了改进和提高绿藻的生产氢气能力，筛选和寻找有耐氧氢酶的绿藻突变株，以及通过蛋白质工程和基因改造降低氢酶对氧气的敏感性，是目前看来最有前景的两条途径。但是目前发现的有耐氧氢酶的绿藻是极少的，并且还没有发现能够在光下可持续产氢的，而通过蛋白质工程和基因改造的办法前提是要解析氢酶的晶体结构，这本身就是一项极具挑战性的工作，目前进展也是很缓慢。有人尝试把某种光合细菌对应的氢酶基因导入到绿藻中，但效果并不明显。目前，在绿藻光产氢研究领域最普遍的手段是通过缺硫培养的方法，为绿藻细胞制造缺氧环境，诱导氢酶表达，实现生产氢气。但是这样一种代谢处理会抑制光合系统II的活性，并终止生产氢气(T.K.Antal,et al.The dependence of algalH2production on Photosystem II and O2consumption activities in sulfur-deprivedChlamydomonas reinhardtii cells[J].Biochim.Biophys.Acta,2003,1607:153–160)。迄今为止，还没有实现绿藻在自然有氧条件下的可持续光产氢。

发明内容