产氢光合细菌葡萄糖跨膜传输及代谢特性实验研究

摘要

随着世界经济的快速发展，人类对能源需求日益增加。作为主要能源的矿物燃料，如煤炭、石油、天然气等贮量的不断减少带来了严重的能源危机，并且伴随着矿石燃料的燃烧，给地球带来了严重的环境污染和温室效应。因此，清洁能源的开发与应用是未来的大势所趋。氢能是一种可再生、燃烧产物只有水的清洁绿色能源。生物制氢技术反应条件温和、能耗低、能妥善解决能源消耗与环境保护之间的矛盾，促进经济与环境的协调发展。利用光合细菌产氢具有一系列优点：分解有机物和有机酸为氢气；有效利用和转化太阳能为氢能；无污染、能耗低、设备简单，有效改善环境问题。因此研究和利用产氢光合细菌制氢对于环境保护和能源的可持续发展具有重要意义。
　　 碳源代谢过程是产氢光合细菌维持生命活动、提供产氢原料的重要过程。本文从工程热物理学科角度出发，针对产氢光合细菌葡萄糖跨膜传输及其代谢特性进行了实验研究，对初始底物浓度、初始pH值、照射光源波长等操作条件对葡萄糖跨膜传输的影响进行了实验分析，主要研究成果如下：
　　 ①产氢光合细菌葡萄糖跨膜传输主要受菌体细胞膜上葡萄糖载体蛋白的直接影响和菌体生理活性的间接影响。
　　 ②通过模拟胞内葡萄糖的酵解速率实验，得到了米式常数Km=2.23 mmol/L和产物最大生成速率γmax=21.87 mmolh-1gDW-1。计算得到胞内葡萄糖浓度最小值为0.34 mmol/L，最大为5.87 mmol/L。
　　 ③胞外初始底物浓度为50～100 mmol/L时，葡萄糖传输速率、胞内葡萄糖浓度总体都随胞外初始底物浓度的增大而增大，但胞外初始底物浓度增大至150mmol/L时，对葡萄糖跨膜传输产生了限制作用，葡萄糖传输速率和胞内葡萄糖浓度均相应减小；初始底物浓度为15～35 mmol/L时，细胞破碎液葡萄糖酶酵解速率随底物浓度的增大而增大；胞外初始底物浓度为50～150 mmol/L时，葡萄糖代谢速率受葡萄糖传输速率控制，而葡萄糖传输速率主要受胞内外葡萄糖浓度势差控制，实验获得产氢光合细菌葡萄糖平均渗透系数为231.13 cm3h-1gDW-1；75 mmol/L为较有利于葡萄糖跨膜传输的最佳胞外初始底物浓度。
　　 ④菌体在生长适应期通过底物代谢所生成的产物来调节周围的pH值，初始pH值为酸性的菌体会向碱性方向调节，初始pH值为碱性的菌体会向酸性方向调节。初始pH值为7时最有利于菌体生长，初始pH值向酸性或是碱性方向变化时，其生理活性和代谢特性均受到了抑制，酸性或碱性越强，抑制效果就越明显。初始pH值为7时最有利于葡萄糖的跨膜传输，初始pH值向微酸或微碱方向发展，会对葡萄糖的跨膜传输带来显著抑制作用。因此初始菌液的酸碱程度越大，葡萄糖渗透系数越小，细胞膜对葡萄糖的通透性就越差，对葡萄糖跨膜传输就越加不利。
　　 ⑤产氢光合细菌的生长对光源波长有一定的选择性，波长590 nm最有利于光合细菌生长，波长470 nm次之、波长520 nm较差。不同波长的光照对产氢光合细菌的生理活性有着显著影响，从而导致波长为590 nm时的葡萄糖跨膜传输速率、胞内葡萄糖浓度和葡萄糖渗透系数均最好。
　　 ⑥拟合得到了产氢光合细菌葡萄糖渗透系数的实验关联式。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1能源现状

1.2生物制氢研究进展

1.2.1绿藻制氢

1.2.2蓝细菌制氢

1.2.3发酵细菌制氢

1.3光合细菌产氢

1.3.1光合细菌产氢机理

1.3.2光合细菌碳源代谢及底物跨膜传输研究进展

1.4本文研究目的和主要研究内容

1.4.1本文研究目的

1.4.2本文研究内容

2胞内葡萄糖浓度测量试验

2.1引言

2.2葡萄糖浓度测量方法的改进

2.3菌体细胞破碎实验

2.4胞内葡萄糖浓度直接测量方法的探索

2.5本章小结

3初始底物浓度对葡萄糖跨膜传输及其代谢特性的影响

3.1引言

3.2实验方法及过程

3.2.1实验设计

3.2.2高效产氢光合细菌的提取和培养

3.2.3反应器的设计及实验步骤

3.2.4产氢光合细菌胞外葡萄糖传输速率计算方法

3.2.5产氢光合细菌破碎液葡萄糖酵解速率计算方法

3.2.6产氢光合细菌胞内葡萄糖浓度计算方法

3.2.7 pH值及光照度的测定

3.3实验器材及药品

3.3.1实验器材及主要参数

3.3.2实验药品

3.4实验结果及分析

3.4.1不同初始底物浓度下的葡萄糖跨膜传输速率

3.4.2葡萄糖酶酵解速率

3.4.3不同初始底物浓度下的胞内葡萄糖浓度

3.4.4不同初始底物浓度下的葡萄糖渗透系数

3.5本章小结

4初始pH值对葡萄糖跨膜传输及其代谢特性的影响

4.1引言

4.2实验方法及器材和药品

4.3实验结果及分析

4.3.1不同初始pH值下光合细菌产氢过程中pH值的变化

4.3.2不同初始pH值下的葡萄糖跨膜传输速率

4.3.3不同初始pH值下的胞内葡萄糖浓度

4.3.4不同初始pH值下的葡萄糖渗透系数

4.4本章小结

5光源波长对葡萄糖跨膜传输及其代谢特性的影响

5.1引言

5.2实验方法

5.3实验器材及药品

5.4实验结果及分析

5.4.1光合细菌吸收光谱扫描

5.4.2不同光波长照射下菌体生长及生理活性

5.4.3不同光波长照射下的葡萄糖跨膜传输速率

5.4.4不同光波长照射条件影响下的胞内葡萄糖浓度

5.4.5不同光波长照射下的葡萄糖渗透系数

5.4.6葡萄糖渗透系数与实验参数间的关联式

5.5本章小结

6结 论

6.1本文主要结论

6.2后续工作展望

致 谢

参考文献

附 录 作者在攻读硕士学位期间发表论文的目录