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光合细菌在生物产氢技术中的应用及菌种改造

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光合细菌在生物产氢技术中的应用及菌种改造 - PowerPoint PPT Presentation


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光合细菌在生物产氢技术中的应用及菌种改造. 周 志 华 中科院上海生科院植生生态所 合成生物学重点实验室. 报告内容. 光合细菌的特性 光合细菌产氢原理与优势 产氢光合细菌的筛选 光合细菌与暗发酵产氢的互补性 光合细菌利用不同底物的产氢效率 产氢光合细菌的遗传改造. 光合细菌的类型. 紫色非硫细菌 红螺菌科. 紫细菌 红螺菌亚目. 紫色硫细菌 着色菌科. 绿色硫细菌. 光合细菌. 绿细菌 绿菌亚目. 多细胞丝状绿细菌. 蓝细菌. 光合细菌的共性. 同时进行光合作用和固氮作用. 紫细菌和绿细菌的共性. 不放氧光合作用 循环光合磷酸化.

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Presentation Transcript
slide1

光合细菌在生物产氢技术中的应用及菌种改造

周 志 华

中科院上海生科院植生生态所

合成生物学重点实验室

slide2

报告内容

  • 光合细菌的特性
  • 光合细菌产氢原理与优势
  • 产氢光合细菌的筛选
  • 光合细菌与暗发酵产氢的互补性
  • 光合细菌利用不同底物的产氢效率
  • 产氢光合细菌的遗传改造
slide3

光合细菌的类型

紫色非硫细菌红螺菌科

紫细菌红螺菌亚目

紫色硫细菌着色菌科

绿色硫细菌

光合细菌

绿细菌绿菌亚目

多细胞丝状绿细菌

蓝细菌

slide4

光合细菌的共性

同时进行光合作用和固氮作用

紫细菌和绿细菌的共性

不放氧光合作用

循环光合磷酸化

slide5

紫细菌的五种生长方式

生长方式

光合自养

光合异养

化能自养

化能异养

厌氧发酵

碳源

CO2

有机物

CO2

有机物

有机物

能源来源

光合磷酸化

光合磷酸化

硫化物或氢

氧化磷酸化

底物水平磷酸化

需氧状况

厌氧

厌氧

好氧

好氧

厌氧

slide6

生物制氢技术的意义

氢气是最清洁能源、能量密度高、适合分布型供能,将是未来理想的终端能源载体

美国能源部未来制氢技术的重点发展方向:

模拟或利用生物产氢途径

slide7

光能

H+和电子

H+(膜外)

光合中心

生物合成与菌体生长

吸氢 酶

ATP

ATP酶

CO2

H+

H2

H2

有机底物

H+

固氮酶

TCA循环

电子

固氮酶

2H++2e+4ATP H2+4ADP

紫细菌产氢-光发酵产氢原理

slide8

光发酵产氢的优势

acetate + 2H2O → 2CO2+ 4H2

butyrate + 6H2O→4CO2 +10H2

glucose + 6H2O→ 4CO2 +10H2

  • 底物的全程利用
  • 高转化效率;
  • 无副产物产生;
  • 处理废水;
  • 氢气浓度高;
  • 利用太阳光;
slide12

Different Nitrogen Source

Different

Concentration

(mM)

Total H2

(ml/35mL)

conversion efficiency of substrate (%)

OD

(660nm)

L-Glutamate

(NH4)2SO4

Ethanolamine

Control

3.5

5.0

7.0

10.0

15.0

2.0

3.5

5.0

7.0

2.0

3.5

5.0

10.0

0

80±7

95±5

123±2

66±5

37±5

72±2

25±1

17±2

0±0

97±2

82±3

77±2

62±1

0

51.28

60.80

78.73

42.30

23.68

56.47

16.00

11.05

0

62.08

52.48

49.35

39.74

0

1.54

1.98

2.35.

2.25

2.82

1.30

2.19

2.39

2.57

1.15

1.79

1.89

2.25

0.31

菌株ZX-5利用不同氮源的产氢效率

slide13

+

暗发酵产氢与光发酵产氢的互补性

光发酵细菌

暗发酵细菌

氢酶

固氮酶

C6H12O6→C3H7COOH+2H2+2CO2

C3H7COOH+6H2O → 10H2+4CO2

暗发酵产氢

光发酵产氢

C6H12O6+ 6H2O→ 12H2+ 6CO2

slide14

After dark-fermentation

After photo-fermentation

A process of sequential dark-and photo-fermentation

The concentration of volatile acids in fermentation effluent

暗-光发酵耦联产氢技术

厌氧发酵菌

slide15

100

7.5

80

7.0

60

6.5

Cumulative hydrogen production(mL)

Final pH

40

6.0

20

5.5

0

5.0

1:0

1:1

1:2

1:4

1:6

0:1

Inoculation Ratio (anaerobic bacterium : ZX-5)

Hydrogen Volume

Final pH

暗-光发酵细菌共培养产氢技术

slide16

Substrate

concentration

(g/l)

Final

PH

inoculation rate

Expected yield (molH2/mol glucose)

achieved

Hydrogen yield

11.43

7.13

0.83

5.35

5.194

通过主因素获得共培养产氢的最佳工艺参数

slide17

课题组过去五年内利用各种生物质的产氢研究

产氢量 L/L废水或/kg废弃物

25.0

20.0

13.4

671

810

生物质

琥珀酸生产废水

乙醇发酵废水

生物柴油生产废水

厨余垃圾

木薯粉

生物产氢技术

光发酵

暗光耦联

光发酵

暗光耦联

暗光耦联

COD 去除率%

87.6

84.6

91.2

84.3

80.2

Tao Y et al. 2007 Int J of Hydrogen Energ 32

Tao Y et al. 2008 Int J of Hydrogen Energ 33

Zong w et al. 2009 Biomass and bioenergy 33

Tao Y et al. 2010 Int J of Hydrogen Energ 35

slide18

进一步提高光合细菌产氢效率的途径

光合作用提供ATP

有机酸提供电子

光合作用系统

电子传递链

固氮酶表达活性

PHB合成途径

吸氢酶表达活性

slide19

影响光发酵产氢效率的主要功能基因

固氮酶基因及其调控基因

谷氨酰胺合成酶基因

吸氢酶基因及其调控基因

slide20

hupR

建立产氢光合细菌的遗传操作系统

敲除吸氢酶基因

hupSL基因及其打靶质粒的构建示

5kb

双交换子的Southern Blot鉴定

hupSL双交换子PCR鉴定

hupSL打靶质粒的酶切图

slide21

过表达敲固氮酶正调控基因nifA

Marker 1 2 3 4

Marker 1 2

2kb

nifA克隆至广宿主载体pMP220及转入类球红细菌的鉴定

nifA在光合细菌中的过量表达

基因工程改造菌株的产氢情况

Liu T et al. Int J of Hydrogen Energin press

slide22

Different Nitrogen Source

Different

Concentration

(mM)

Total H2

(ml/35mL)

conversion efficiency of substrate (%)

OD

(660nm)

L-Glutamate

(NH4)2SO4

Ethanolamine

Control

3.5

5.0

7.0

10.0

15.0

2.0

3.5

5.0

7.0

2.0

3.5

5.0

10.0

0

80±7

95±5

123±2

66±5

37±5

72±2

25±1

17±2

0±0

97±2

82±3

77±2

62±1

0

51.28

60.80

78.73

42.30

23.68

56.47

16.00

11.05

0

62.08

52.48

49.35

39.74

0

1.54

1.98

2.35.

2.25

2.82

1.30

2.19

2.39

2.57

1.15

1.79

1.89

2.25

0.31

菌株ZX-5利用不同氮源的产氢效率

slide23

铵对固氮酶表达活性的调控机制

GS/GOGET途径

glnA:谷氨酰胺合成酶基因

slide24

7kb

4kb

3kb

5.1kb

B

C

A

glnA1基因的敲除

A restrict enzyme mapping of glnA1 targeting plasmid

B PCR verification of double crossover recombinant

arrows show the correct bands

C Southern Blot verification of double crossover recombinant

slide25

glnA1缺失突变株的产氢效率

Li X et al. 2010 Biotechnology and Bioengineering 106

slide26

总结

  • 通过筛选可以获得利用各种底物包括废水高效产氢的紫色非硫细菌;
  • 通过暗-光发酵耦联或暗-光发酵细菌共培养可以大幅度提高产氢效率;
  • 通过敲除吸氢酶基因和过表达固氮酶正调控基因,产氢效率可以20%;
  • 通过敲除谷氨酰氨合成酶基因,可以完全解除铵阻遏效应,在高铵条件下恢复产氢;