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1、微生物与能源,张丽丽2013年6月14日,1能源性微生物的主要种类2能源性微生物的能源产生机理3能源性微生物目前应用概况4利用微生物生产能源的前景,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（Bergeys 19231957）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：甲烷产生菌乙醇产生菌氢气产生菌,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（
2、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（Rhodomic
3、robium）、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,21 甲烷产生菌的作用机理是沼气发酵过程。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
4、将乙酸转化为甲烷。,22 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（糖酵解途径），HMP(戊糖磷酸途径)和ED（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径）,EMP途径，又称糖酵解或己糖二磷酸途径，是细胞将葡萄糖转化为丙酮酸的代谢过程，总反应为：C6H12O6+2NAD+2Pi+2ADP2CH3COCOOH（丙酮酸）+2NADH+2H+2ATP+2H2O。EMP途径是指在无氧条件下，葡萄糖被分解成丙酮酸，同时释放出少量ATP的过程。,HMP(戊糖磷酸途径)：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+1
5、2H+6CO2+Pi HMP途径降解葡萄糖的三个阶段：葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2 核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸 上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸。,ED(Entner-Doudoroff)途径，又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径 这条途径是Entner和doudoroff在研究嗜糖假单胞菌的代谢时发现的，所以简称为ED途径。这是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有。特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步反应才
6、能够形成的丙酮酸。,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500600 m3的酒厂，可获得日产含甲烷5565的沼气9 00011 000 m3，相当于日发电量12 85715 714 kw，日产标准煤17.120.9 t，可以代替橡胶生产中烘干用油的3040。,23 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。,乙醇产生菌生产
7、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1.6107 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1823Lh，并进而利用所产生的H2推动功率为3.13.5 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
8、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14.28108 m3，相当于25.94106 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17.81011m3。同时使上述废液的净化率达3060，并可获得单细胞蛋白饲料约9万t。,
