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微生物与能源 敬一兵 摘要 对以甲烷产生菌、乙醇产生菌和氢气产生菌为代表的能源性微生物进行了主要类群分类、产生能源的代谢性作用机理和应用该类微生物产生能源的总体生产前景做了较为系统的概括性阐述。能源性微生物不仅在微生物教学中非常重要，而且该类微生物在环境保护、非再生性能源节约和提高有关领域综合效益等方面，都具有直接的、显著的促进作用。 关键词 甲烷产生菌 乙醇产生菌 氢气产生菌 应用前景在生态系统中绿色植物及少数自养型微生物，能够借助体内的光合色素将太阳能转换成生物能贮藏于体内。在生物体之间和不同生物之间的生物能的循环和能量流动过程中，异养型微生物作为生态系统中的物质循环的分解者，利用动植物残体等各种有机物，将其矿化分解最终使生物能以其最简单的无机物状态释放，这就是甲烷、乙醇和氢气产生菌等微生物与能源的简单基本关系。这种关系的重要意义在于使人类能够通过利用能源性微生物从而直接有效地使用生物能。 1．能源性微生物的主要种类 根据安斯沃思（Ainsworth ）的分类系统，运用世界上主要依据的伯杰（Bergey's 1923—1957）细菌鉴定法和洛德（Lodder 1970）的酵母菌等鉴定法分类鉴定表明，能源性微生物的主要种类是： 甲烷产生菌的主要种类有甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷八叠菌属（Methanosarcina）、甲烷球菌属（Methanoccus）等。 乙醇产生菌的主要种类有酵母菌属（Saccharomyces）、裂殖酵母菌属（Schizosaccharomyces）、假丝酵母属（Candida）、球拟酵母属（Torulopsis）、酒香酵母属（Brettanomyces）、汉逊氏酵母属（Hansenula）、克鲁弗氏酵母属（Kluveromyces）、毕赤氏酵母属（Pichia）、隐球酵母属（Cryptococcus）、德巴利氏酵母属（Debaryomyces）、卵孢酵母属（Oosporium）、曲霉属（Aspengillus）等。 氢气产生菌的主要种类有红螺菌属（Rhodospirillum）、红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）、红微菌属（Rhodomicrobium）、荚硫菌属（Thiocapsa）、硫螺菌属（Thiospirillum）、闪囊菌属（Lamprocystis）、网硫菌属（Thiodictyon）、板硫菌属（Thiopedia）、外硫红螺菌属（Ectothiorhodospira）、梭杆菌属（Fusobacterium）、埃希氏菌属（Escherichia）、蓝细菌类等。 2．能源性微生物的能源产生机理 2．1 甲烷产生菌的作用机理是沼气发酵过程。该过程的第一阶段是复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂肪等在微生物作用下降解至其基本结构单位物质的液化阶段。 第二阶段是将第一阶段中产生的简单有机物经微生物作用转化生成乙酸 ； 第三阶段是在甲烷产生菌的作用下将乙酸转化为甲烷。 2．2 乙醇产生菌的作用机理是酒精发酵作用，即把葡萄糖酵解生成乙醇。微生物酵解葡萄糖的途径是EMP，HMP和ED途径。 2．3 氢气产生菌的作用机理主要是丁酸发酵作用。 除在丁酸菌作用下进行丁酸发酵外，氢气产生菌的其他分解有机物产生氢气的代谢机制目前尚未查清。 3．能源性微生物目前应用概况 甲烷产生菌所产生的能源是当前已获大量实际应用的一种微生物能源。我国现在正用人畜粪便、农副产品下脚料、酒糟废液和其他工业生产中的废液等生产甲烷，用于照明、燃烧等，其使用价值是相当可观的。例如日产酒糟500～600 m3的酒厂，可获得日产含甲烷55％～65％的沼气9 000～11 000 m3，相当于日发电量12 857～15 714 kw，日产标准煤17.1～20.9 t，可以代替橡胶生产中烘干用油的30％～40％。 乙醇产生菌生产的能源性物质，目前主要用于燃料和替代汽车等运输工具所使用的汽车用油（如汽油和柴油）。例如巴西用乙醇产生菌生产的乙醇1990年已达到1.6×107 m3，足够供应200万辆汽车的驱动能源之需要。 氢气产生菌生产的能源物质氢气，目前主要是应用于燃料电池方面。由于许多自养性和异养性微生物产氢的机制和条件还在研究过程中，所以该类微生物能源的使用尚处于试验阶段。已有的研究结果表明，氢气产生菌在含有葡萄糖培养基的10 L发酵罐中，产H2速度最高可达18～23L／h，并进而利用所产生的H2推动功率为3.1～3.5 V燃料电池的工作。 4．利用微生物生产能源的前景 我国虽已探明煤储量6000亿t，石油70亿t，水力发电6.8亿kw，但由于1978年以来我国总的能源利用率已超过30％，能源分布不均匀，能源产量低和农村能源供应短缺等因素，致使能源供应趋于紧张。开发利用微生物能源，在这方面可以起到显著的缓解作用。特别是在农村年产稻壳3 225万t，玉米芯1 250万t，甘蔗渣400万t，棉籽壳200万t，糠醛渣30万t，人畜粪便1380万t的条件下，可用微生物作用年产沼气达14.28×108 m3，相当于25.94×106 t标准煤，从而彻底改变现在农村能源短缺的状况。 我国现在因利用能源而导致严重的环境污染，例如,烟尘和SO2年排放量为2 857万t，燃烧后的垃圾排放为年均573 000万t，因薪柴之用破坏森林植被导致每年土壤流失50亿t。利用微生物生产能源和对其进行利用，不仅没有环境污染问题出现，而且还可使目前污染严重的环境状况得以缓解。 更有发展前景的是生产和使用微生物能源，可以治理污染变废为宝及获得综合效益。例如用我国年产木材采伐废物1000万t，油茶壳75万t，胶渣13万t，纤维板生产废液350万t和亚硫酸纸浆废液180万t为原料，通过微生物作用可获得沼气17.8×1011m3。同时使上述废液的净化率达30％～60％，并可获得单细胞蛋白饲料约9万t（按1.7％得率计）。 (责任编辑：admin) |