1、4生物制氢生物制氢1.氢与氢能氢与氢能p元素周期表第一个元素元素周期表第一个元素p原子结构最简单原子结构最简单p氢气密度最小，无色无味氢气密度最小，无色无味p常压下，常压下，-252.87时可变为无色液体时可变为无色液体p常压下，常压下，-259.1时可变成雪状固体时可变成雪状固体p氢气燃烧产生大量的热（氢气燃烧产生大量的热（氢能氢能）：）：142 kJ/g，是汽油发热量的，是汽油发热量的3倍倍p燃烧速度快，易爆燃烧速度快，易爆p在自然界中主要以水、石油、煤炭、天然气、生命体、有机物的形在自然界中主要以水、石油、煤炭、天然气、生命体、有机物的形式存在式存在p最理想的能源最理想的能源氢能的特点氢
2、能的特点(1)来源广。自然界存在的氕，其丰度约为氢总量的来源广。自然界存在的氕，其丰度约为氢总量的99.98%。地。地球上的水储量为球上的水储量为21018万万t，是氢取之不尽、用之不竭的重要源泉。，是氢取之不尽、用之不竭的重要源泉。(2)燃烧热值高。氢气的热值为燃烧热值高。氢气的热值为121061kJ/kg，是甲烷的，是甲烷的2.4倍，倍，汽油的汽油的2.4倍，乙醇的倍，乙醇的4.5倍，高于所有化石燃料和生物质燃料。倍，高于所有化石燃料和生物质燃料。(3)清洁。氢本身无色无味无毒，若在空气中燃烧产生水；清洁。氢本身无色无味无毒，若在空气中燃烧产生水；(4)燃烧稳定性好。容易做到比较完善的燃烧
3、，燃烧效率很高。燃烧稳定性好。容易做到比较完善的燃烧，燃烧效率很高。(5)存在形式多。氢可以以气态、液态或者固态金属氢化物出现，存在形式多。氢可以以气态、液态或者固态金属氢化物出现，能适应储运及各种应用环境的要求。能适应储运及各种应用环境的要求。(6)氢是氢是“和平和平”的能源。化石能源分布极不均匀，常常引起激的能源。化石能源分布极不均匀，常常引起激烈的资源争夺。而氢即可再生来源又广，每个国家都有着丰富的氢资源，烈的资源争夺。而氢即可再生来源又广，每个国家都有着丰富的氢资源，因此可以说是因此可以说是“和平和平”的能源。的能源。氢能的发展是历史的必然？氢能的发展是历史的必然？能源利用的趋势：高碳
4、能源利用的趋势：高碳 低碳；低碳；低氢低氢 高氢；固态高氢；固态 气态气态 能源能源 氢氢/碳碳 碳碳/氢氢 柴薪柴薪 0.01 100 煤炭煤炭 0.7 1.43 石油石油 1.8 0.56 天然气天然气 3.5 0.29 氢氢 0氢能发展概况氢能发展概况1974年，国际氢能源协会（年，国际氢能源协会（International Association for Hydrogen Energy，IAHE）创办，并于）创办，并于2000年开始举办两年一届的国年开始举办两年一届的国际氢能论坛（际氢能论坛（Hyforum）。）。2003年年11月在美国首都华盛顿欧米尼月在美国首都华盛顿欧米尼西海姆大
5、酒店举行氢能国西海姆大酒店举行氢能国际经济合作伙伴（际经济合作伙伴（IPHE）会议，共有）会议，共有15个国家和欧盟政府代表团以及各个国家和欧盟政府代表团以及各国工商界代表参加，中国是成员国之一。其目标是，到国工商界代表参加，中国是成员国之一。其目标是，到2020年，年，制氢的制氢的成本成本费用降低到能使其称为费用降低到能使其称为交通运输燃料交通运输燃料的选择之一。的选择之一。氢能氢能永恒的能源永恒的能源电：不能大规模存储；氢：可大规模存储。电：不能大规模存储；氢：可大规模存储。核聚变：氘核聚变：氘+氚氚 氦；氢弹、太阳能。氦；氢弹、太阳能。受控核聚变：受控核聚变：高温（几千万高温（几千万-几
6、亿摄氏度）几亿摄氏度）低气体密度（常低气体密度（常温常压下的几万分之一）温常压下的几万分之一）能量约束时间超过能量约束时间超过1s。资源丰富：资源丰富：氘氘海水中含有的氘可供人类以当前能源消费水平使用上亿年；海水中含有的氘可供人类以当前能源消费水平使用上亿年；氚氚没有；没有；锂锂锂锂+中子中子 氚，锂可用氚，锂可用12万年。万年。分数氢：常规氢与核聚变的中间层。分数氢：常规氢与核聚变的中间层。氢的制备方法氢的制备方法水制氢水制氢电解：通电；电解：通电；热化学：热化学：1000，催化剂（，催化剂（Me3O4，MeCl2）；）；热裂解：热裂解：3000。化石能源制氢化石能源制氢煤气化：煤煤气化：煤
7、 焦炭；焦炭；C+H2O H2+CO;CO+H2O H2+CO2天然气：天然气：CH4+2H2O 4H2+CO2;CH4 2H2+C石油：石油：CH3OH+H2O 3H2+CO2;通式：通式：hv+CxHy+H2O H2+CO2;2.生物制氢生物制氢与传统的化学制氢方法相比，生物制氢具有无污染、可再生和不与传统的化学制氢方法相比，生物制氢具有无污染、可再生和不消耗宝贵的矿物资源的突出优点。消耗宝贵的矿物资源的突出优点。按培养条件：光合生物制氢（藻类、光合细菌）、发酵细菌制氢按培养条件：光合生物制氢（藻类、光合细菌）、发酵细菌制氢（固氮作用等）、光合生物和发酵细菌联合培养制氢。（固氮作用等）、光
8、合生物和发酵细菌联合培养制氢。按产氢机制：光裂解制氢；光发酵制氢、暗发酵制氢；按产氢机制：光裂解制氢；光发酵制氢、暗发酵制氢；2.1 光合作用光合作用光反应光反应 暗反应暗反应光反应的主要蛋白光反应的主要蛋白舞台舞台 主演主演 配角配角2.1.1 原初反应原初反应是指是指从光合色素分子从光合色素分子被光激发被光激发，到引起第一个，到引起第一个光化学反应光化学反应为止为止的过程。的过程。物理过程：光的吸收、传递物理过程：光的吸收、传递化学过程：电子传递化学过程：电子传递特点特点1.1.速度非常快，速度非常快，1012 s 109 s内完成；内完成；2.与温度无关，与温度无关，(77K，液氮温度，
9、液氮温度)(2K，液氦温度，液氦温度)；3.量子效率接近量子效率接近1。天线色素天线色素 特殊色素特殊色素 光的吸收与传递光的吸收与传递 色素分子的能态色素分子的能态激发态的命运激发态的命运1.1.放热放热2.2.发射荧光与磷光发射荧光与磷光3.3.色素分子间的能量色素分子间的能量传递传递 4.4.光化学反应光化学反应色素分子间的能量传递色素分子间的能量传递激子传递激子传递激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子，它激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子，它能转移能量但能转移能量但不能转移电荷。不能转移电荷。这种在这种在相同分子间相同分子间依靠激子传递来转移能量的方式称为激子传递。依靠激子传
10、递来转移能量的方式称为激子传递。共振传递共振传递在色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中高能电子在色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中高能电子的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动(共振共振)，当第二个分子，当第二个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递。这种依靠电子振电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递。这种依靠电子振动在分子间传递能量的方式就称为动在分子间传递能量的方式就称为“共振传递共振传递”。在共振传递过程中，供体和受体分子在共振传递过程中，供体和受体分子可以是同种，也可以是异种可以是同种，也可以是异
11、种分子分子。能量传递过程中不发生光的吸收和电子的传递。能量传递过程中不发生光的吸收和电子的传递。能量传递过程的能量变化能量传递过程的能量变化 光化学反应光化学反应 反应中心反应中心 反应中心是发生原初反应的反应中心是发生原初反应的最小单位，它是由最小单位，它是由反应中心色素分子反应中心色素分子、原初电子受体原初电子受体、次级电子受体与供体次级电子受体与供体等电子传递体，以及维持这些电子传等电子传递体，以及维持这些电子传递体的微环境所必需的递体的微环境所必需的蛋白质蛋白质等成分等成分组成的。组成的。原初电子受体原初电子受体是指直接接收是指直接接收反应中心色素分子传来电子的电子传反应中心色素分子传
12、来电子的电子传递体递体 反应中心色素分子是光化学反应中心色素分子是光化学反应中最先向原初电子受体供给电子反应中最先向原初电子受体供给电子的，因此反应中心色素分子又称的，因此反应中心色素分子又称原初原初电子供体电子供体。原初反应原初反应光化学反应光化学反应原初反应的光化学反应实际就是原初反应的光化学反应实际就是由光引起的反应中心色素分子由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体间的氧化还原反应与原初电子受体间的氧化还原反应，可用下式表示光化学反应过程：，可用下式表示光化学反应过程：PA P*A P+A基态反应中心基态反应中心 激发态反应中心激发态反应中心 电荷分离的反应中心电荷分离的反应中心反应中
13、心出现了电荷分离反应中心出现了电荷分离(P+)(A-)，到这里原初反应也就完成了。，到这里原初反应也就完成了。原初电子供体失去电子，有了原初电子供体失去电子，有了“空穴空穴”，成为，成为“陷阱陷阱”，便可，便可从从次级电子供体次级电子供体那里争夺电子；而原初电子受体得到电子，使电位值升那里争夺电子；而原初电子受体得到电子，使电位值升高，供电子的能力增强，可将电子传给高，供电子的能力增强，可将电子传给次级电子受体次级电子受体。供电子给。供电子给P+的还的还原剂叫做次级电子供体原剂叫做次级电子供体(D)，从，从A接收电子的氧化剂叫做次级电子受体接收电子的氧化剂叫做次级电子受体(A1)，那么电荷分离
14、后反应中心的更新反应式可写为：，那么电荷分离后反应中心的更新反应式可写为：DP+AA1 D+PAA1 这一过程在光合作用中不断反复地进行，从而推动电子在电子这一过程在光合作用中不断反复地进行，从而推动电子在电子传递体中传递。传递体中传递。hvPS和和PS的光化学反应的光化学反应次级次级电子供体电子供体反应中心色素分子反应中心色素分子（原初电子供体）（原初电子供体）原初原初电子受体电子受体次级次级电子受体电子受体PSPSPCP700叶绿素分叶绿素分子子(A0)铁硫中心铁硫中心 PSPSYZP680去镁叶绿去镁叶绿素分子素分子(Pheo)醌分子醌分子(QA)2.1.2 电子与质子传递电子与质子传递
15、光系统光系统（Photosystem ，PS）PS是含有多亚基的蛋白复合体。它由是含有多亚基的蛋白复合体。它由聚光色素复合体聚光色素复合体、中中心天线心天线、反应中心反应中心、放氧复合体放氧复合体、细胞色素细胞色素和和多种辅助因子多种辅助因子组成。组成。示意示意PSII反应中心反应中心D1蛋白和蛋白和D2蛋蛋白的结构。白的结构。电子从电子从P680传递到去镁叶绿素传递到去镁叶绿素（Pheo）继而传递到两个质体醌）继而传递到两个质体醌QA和和QB。P680+在在“Z”传递链中被传递链中被D1亚基亚基中中酪氨酸残基酪氨酸残基还原。还原。Mn聚集体聚集体(MSP)对水的氧化。对水的氧化。CP43和和
16、CP47是叶绿素结合蛋白。是叶绿素结合蛋白。PS反应中心的核心部分是分子反应中心的核心部分是分子量分别为量分别为32 000和和34 000的的D1和和D2两条两条多肽。多肽。反应中心的次级电子供体反应中心的次级电子供体Z、中、中心色素心色素P680、原初电子受体、原初电子受体Pheo、次、次级电子受体级电子受体QA、QB等都结合在等都结合在D1和和D2上。其中与上。其中与D1结合的质体醌定名为结合的质体醌定名为QB，与与D2结合的质体醌定名为结合的质体醌定名为QA。这里的。这里的Q，醌，醌(Quinone)的字首。的字首。组成中心天线的组成中心天线的CP47和和CP43是指分子量分别为是指分
17、子量分别为47 000、43 000并与叶绿素并与叶绿素结合的聚光色素蛋白复合体，它们围绕结合的聚光色素蛋白复合体，它们围绕P680，比，比LHC更快地把吸收的光能传更快地把吸收的光能传至至PS反应中心，所以被称为中心天线或反应中心，所以被称为中心天线或“近侧天线近侧天线”。醌的电子传递醌的电子传递QA是单电子体传递体，每次反是单电子体传递体，每次反应只接受一个电子生成半醌应只接受一个电子生成半醌，它的电，它的电子再传递至子再传递至QB，QB是双电子传递体，是双电子传递体，QB可两次从可两次从QA接受电子以及从周围介接受电子以及从周围介质中接受质中接受2个个H+而还原成氢醌而还原成氢醌(QH2
18、)。这样生成的氢醌可以与醌库的这样生成的氢醌可以与醌库的PQ交换，交换，生成生成PQH2。水的裂解与氧的生成水的裂解与氧的生成放氧复合体放氧复合体(OEC)又称锰聚又称锰聚合体合体(M,MSP)，在，在PS靠近类囊体靠近类囊体腔的一侧，参与水的裂解和氧的释腔的一侧，参与水的裂解和氧的释放。放。每释放每释放1个个O需要从需要从2个个H2O中移去中移去 4 个个 e-，同时形成，同时形成 4 个个 H。PSPS的生理功能是吸收光能，进行光化学反应，产的生理功能是吸收光能，进行光化学反应，产生强的氧化剂，使水裂解释放氧气，并把水中的电生强的氧化剂，使水裂解释放氧气，并把水中的电子传至质体醌。子传至质
19、体醌。质体醌质体醌质醌质醌(PQ)(PQ)也叫质体醌，是也叫质体醌，是PSPS反应反应中心的末端电子受体，也是介于中心的末端电子受体，也是介于PSPS复合体复合体与与Cyt bCyt b/f/f复合体间的电子传递体。复合体间的电子传递体。质体醌在膜中含量很高，约为叶绿质体醌在膜中含量很高，约为叶绿素分子数的素分子数的5%5%10%10%，故有，故有“PQPQ库库”之称。之称。质体醌是双电子、双质子传递体，质体醌是双电子、双质子传递体，氧 化 态 的 质 体 醌 可 在 膜 的 外 侧 接 收 由氧 化 态 的 质 体 醌 可 在 膜 的 外 侧 接 收 由PS(PS(也可是也可是PS)PS)传
20、来的电子，同时与传来的电子，同时与H H结结合；还原态的质体醌在膜的内侧把电子传给合；还原态的质体醌在膜的内侧把电子传给Cyt bCyt b/f/f，氧化时把，氧化时把H H释放至膜腔。这释放至膜腔。这对对类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的作用。类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的作用。细胞色素细胞色素b6/f复合体复合体Cyt b6/f 复合体主要催化复合体主要催化PQH的氧化和的氧化和PC的还原，并把的还原，并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。因此移到膜内腔中。因此Cyt b/f 复复合体又称合体又称PQHPC氧还酶氧还酶。CytbCytb/f/f 复合
21、体作为连接复合体作为连接PSPS与与PSPS两个光系统的中间电子载体系统，两个光系统的中间电子载体系统，是一种多亚基膜蛋白，由是一种多亚基膜蛋白，由4 4个多肽组成，即个多肽组成，即CytfCytf、Cytb Cytb、Rieske Rieske 铁铁-硫蛋硫蛋白、白、17kD17kD的多肽的多肽等。等。质体蓝素质体蓝素质蓝素质蓝素(PC)(PC)是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于蓝色。它是介于Cyt bCyt b/f/f复合体与复合体与PSPS之间的电子传递成员。通过蛋白之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化还原变
22、化来传递电子。质中铜离子的氧化还原变化来传递电子。PCPC在类囊体腔内移动。在类囊体腔内移动。光系统光系统（PS）PS由反应中心和由反应中心和LHC等组成。反应中心内等组成。反应中心内含有含有1112个多肽，其中个多肽，其中在在A和和B两个多肽上结合着两个多肽上结合着P700及及A0、A1、FX、FA、FB等电子传递体。每一个等电子传递体。每一个PS复合体中含有两个复合体中含有两个LHC，LHC吸收的光能吸收的光能能传给能传给PS的反应中心。的反应中心。PS的电子传递的电子传递p两个主要的蛋白质亚基两个主要的蛋白质亚基psaA和和psaB的分布状况。的分布状况。p电子从电子从P700传递到叶绿
23、素分子传递到叶绿素分子A0，然后到电子受体然后到电子受体A1。p电子传递穿过一系列的被命名为电子传递穿过一系列的被命名为FX，FA，FB的的Fe-S中心，最后到达中心，最后到达可溶性铁硫蛋白（可溶性铁硫蛋白（Fdx）。）。pP700+从还原态的质蓝素（从还原态的质蓝素（PC）中）中接受电子。接受电子。ppsaF，psaD和和psaE 几个几个PSI亚基亚基参与可溶性电子传递底物与参与可溶性电子传递底物与PSI复合复合体的结合。体的结合。铁氧化还原蛋白铁氧化还原蛋白铁氧还蛋白铁氧还蛋白(Fd)和铁氧还蛋白和铁氧还蛋白-NADP还原酶还原酶(FNR)都是存在类囊都是存在类囊体膜表面的蛋白质。体膜表
24、面的蛋白质。FNR中含中含1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸分子的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，依靠核黄素的氧化，依靠核黄素的氧化还原来传递还原来传递H+。因其与。因其与Fd结合在一起，所以称结合在一起，所以称Fd-NADP还原酶。还原酶。FNR是光合电子传递链的末端氧化酶，接收是光合电子传递链的末端氧化酶，接收Fd传来的电子和基质中的传来的电子和基质中的H，还原，还原NADP为为NADPH，反应式可用下式表示：，反应式可用下式表示：2Fd还原还原+NADP+H FNR 2Fd氧化氧化+NADPH光反应的电子与质子传递光反应的电子与质子传递光合磷酸化光合磷酸化图中经非环式电子传递途径传递图中经非环式电
25、子传递途径传递4 4个个e e-产生产生2 2个个NADPHNADPH和和3 3个个ATPATP是根据光是根据光合作用总方程式推算出的。在光反应中吸收合作用总方程式推算出的。在光反应中吸收8 8个光量子个光量子(PS(PS与与PSPS各吸收各吸收4 4个个)，传递传递4 4个个e e能分解能分解2 2个个H H2 2O O，释放，释放1 1 个个O O2 2，同时使类囊体膜腔增加，同时使类囊体膜腔增加8 8个个H H，又因为吸，又因为吸收收8 8个光量子能同化个光量子能同化1 1个个COCO2 2，而在暗反应中同化，而在暗反应中同化1 1个个COCO2 2需消耗需消耗3 3个个ATPATP和和
26、2 2个个NADPHNADPH，也即传递也即传递4 4个个e e-，可还原可还原2 2个个NADPHNADPH，经，经ATPATP酶流出酶流出8 8个个H H+要合成要合成3 3个个ATPATP。电子传递过程的能态变化电子传递过程的能态变化电子传递的类型电子传递的类型根据电子传递到根据电子传递到FdFd后去向，将光合电子传递分为三种类型：后去向，将光合电子传递分为三种类型：非环非环式、环式和假环式。式、环式和假环式。非环式非环式环式环式环式电子传递不发环式电子传递不发生生H H2 2O O的氧化，也不形成的氧化，也不形成NADPHNADPH，但有，但有H H+的跨膜运输，的跨膜运输，可产生可产生ATPATP，每传递一个电，每传递一个电子需要吸收一个光量子。子需要吸收一个光量子。环式电子传递多存环式电子传递多存在于无在于无PSPS的生物中。的生物中。假环式假环式光反应总结光反应总结如何进行光裂解产氢反应？如何进行光裂解产氢反应？此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
