一种基于状态转换策略提高微藻光合制氢效率的方法

本发明属于生物能源，具体涉及一种基于状态转换策略提高微藻光合制氢效率的方法。

背景技术：

1、能源是支撑人类文明进步的基础和动力，是现代社会发展不可或缺的基本条件。由于人口激增和经济快速发展，预计到本世纪中叶全球能源消耗将至少增加一倍。目前，全球能源消耗约为15tw，预计到2050年将增加到27tw，到2100年可能超过40tw。原则上，主要来自植物生物质的化石能源可以满足能源需求。然而，化石燃料燃烧产生的二氧化碳将严重影响全球气候。因此，开发既能满足全球能源需求又能保护环境的碳中和能源生产技术非常重要。氢气在燃烧时只生成水，不会产生任何污染物，并且具有能量密度高、热转化效率高、运送成本低等优点，被认为是化石燃料最理想的替代品。如今，氢气主要通过碳氢化合物的蒸汽重整、煤的气化、水的电解以及化工副产物的提炼等方法产生，但这些制氢方法并没有从根本上摆脱掉对化石能源的依赖，也没有从根本上消除对环境的污染，生产成本也普遍较高。为了实现真正的可持续氢气生产，科学家们开始探索更加环保、高效的制氢方法。

2、在自然界中，一类具有光合能力的单细胞生物——绿藻，可以在太阳光下利用体内含有的光合色素和氢化酶有效地产生氢气。该过程不需要任何的有机质作为底物和能量来源，因此被认为是真正意义上的清洁能源生产方式。然而，绿藻的光合产氢过程十分短暂，这是因为绿藻在光照下会释放氧气，抑制氢化酶的活性，导致产氢过程停止。绿藻的光合系统中有两个独立但协调起作用的光合中心，即光合系统i和光合系统ii。其中，光合系统ii用于接收太阳能分解水产生质子、电子和氧气，光合系统i产生还原剂用于固定二氧化碳。光合系统ii产生的电子，最终由铁氧还蛋白携带经由光合系统ii和光合系统i到达氢化酶处，从而使质子在氢化酶的催化作用下产生氢气。然而，光合系统ii产生的氧气会使氢化酶迅速失活，所以绿藻生物在通常情况下以光合放氧为主，并不会产生氢气。为维持微藻长时间制氢，melis等人通过硫剥夺策略处理微藻，抑制了光合系统ii的放氧活性，使微藻处于厌氧环境。但是该方法同时也抑制了光合系统ii的线性电子供应，最终导致光氢转化效率低(<1％)，产氢时间小于7天[a.melis，l.zhang，m.forestier，m.l.ghirardi，m.seibert，plantphysiol.2000，122，127-136.]。为了维持光合系统ii的活性以及体系的厌氧环境，苏东悦等人通过漆酶催化底物单宁酸耗氧策略来快速移除微藻光合作用产生的氧气，保障氢化酶活性，实现了以0.32μmol h2 h-1(mg chlorophyll)-1的速率持续7天的氢气产生。然而，高价值底物漆酶以及单宁酸的使用，使得制氢系统不具备可持续性[d.su，j.qi，x.liu，l.wang，h.zhang，h.xie，x.huang，angew.chem.int.ed.2019，58，3992-3995.]。基因工程筛选耐受氧气的氢化酶，由于缺乏明确的工程理论指导，并且筛选目标种群步骤繁琐，工作量大，目前仍然进展有限。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的微藻制氢时间短，产氢效率低的问题，提供了一种基于状态转换策略提高微藻光合制氢效率的方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种基于状态转换策略提高微藻光合制氢效率的方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤一、微藻的培养：将50ml的微藻藻种转移至0.5l的tap培养基中，在温度为20-30℃的光照培养箱中进行光照12h和黑暗12h循环，其中光照强度为50-150μmol/m2/s，当微藻细胞数目达到对数生长期时取用；

5、步骤二、将od＝2-5的微藻离心再分散于50ml优化的hm培养基中，加入mg(oh)2，控制mg(oh)2浓度为2.5-40mmol/l，黑暗处理24h，以激活微藻发生状态转化，然后放置在100μmol/m2/s光照下产氢。微藻可以持续产氢20天，累计产氢2.69-12.26lh2/l。

6、进一步地，步骤一中，所述微藻为绿藻。

7、进一步地，步骤一中，所述目前可以光合产氢的绿藻有小球藻、纤维藻、莱茵衣藻、栅藻或月牙藻中的一种。而小球藻已经商业化，在实际实验过程中更容易获取。

8、进一步地，步骤二中，每升hm培养基包含成分如下：葡萄糖10g，尿素0.914g，kh2po40.211 g，mgso4·7h2o 0.157g，feso4·7h2o 12.51mg，h3bo32.85 mg，cuso4·5h2o0.8mg，znso4·7h2o 1.11mg，coso4·7h2o 0.97mg，mncl2·4h2o 1.3mg，(nh4)6mo7o24·4h2o 0.46mg，cacl26.94 mg，nacl 1.16mg，btp缓冲物0.565g，最后加入去离子水，配制成1l的培养液。

9、优化后的优点：原hm培养基中只有少量的缓冲物kh2po4，并且不含有钠离子。少量的缓冲物无法保障微藻在产氢过程中ph的稳定性，从而影响产氢效果。钠离子是微藻生长必须的微量元素。所以实施例优化hm培养基的组分，加入了1.16mg的nacl和0.565g btp缓冲物，这可以保障微藻生长活性以及培养基ph的稳定性。

10、本发明相对于现有技术的有益效果为：通过激活微藻发生状态转化，以形成厌氧微环境，实现了微藻长达25天的持续产氢，累计产氢12.66l h2/l。本发明使得微藻光氢转化效率和产氢速率显著提高，并且工艺简单，应用前景好。

技术特征：

1.一种基于状态转换策略提高微藻光合制氢效率的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于状态转换策略提高微藻光合制氢效率的方法，其特征在于：步骤一中，所述微藻为绿藻。

3.根据权利要求2所述的一种基于状态转换策略提高微藻光合制氢效率的方法，其特征在于：步骤一中，所述绿藻有小球藻、纤维藻、莱茵衣藻、栅藻或月牙藻中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于状态转换策略提高微藻光合制氢效率的方法，其特征在于：步骤二中，每升hm培养基包含成分如下：葡萄糖10g，尿素0.914g，kh2po40.211g，mgso4·7h2o 0.157g，feso4·7h2o 12.51mg，h3bo32.85 mg，cuso4·5h2o 0.8mg，znso4·7h2o 1.11mg，coso4·7h2o 0.97mg，mncl2·4h2o 1.3mg，(nh4)6mo7o24·4h2o 0.46mg，cacl26.94 mg，nacl 1.16mg，btp缓冲物0.565g，最后加入去离子水，配制成1l的培养液。

技术总结一种基于状态转换策略提高微藻光合制氢效率的方法，属于生物能源技术领域。所述方法为：微藻的培养：将50mL的微藻藻种转移至0.5L的TAP培养基中，在温度为20‑30℃的光照培养箱中进行光照12h和黑暗12h循环，其中光照强度为50‑150μmol/m<supgt;2</supgt;/s，当微藻细胞数目达到对数生长期时取用；将OD＝2‑5的微藻离心再分散于50mL优化的HM培养基中，加入Mg(OH)<subgt;2</subgt;，控制Mg(OH)<subgt;2</subgt;浓度为2.5‑40mmol/L，黑暗处理24h，以激活微藻发生状态转化，然后放置在100μmol/m<supgt;2</supgt;/s光照下产氢。本发明通过激活微藻发生状态转化，以形成厌氧微环境，实现了微藻长达25天的持续产氢，累计产氢12.66LH<subgt;2</subgt;/L。本发明使得微藻光氢转化效率和产氢速率显著提高，并且工艺简单，应用前景好。技术研发人员：黄鑫,李尚松受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20