Пурпурные несерные бактерии в двухстадийном процессе получения водорода из органических отходов

• Автор: Текучева, Дарья Николаевна
• Шифр специальности: 03.02.03, 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Пущино
• Количество страниц: 157 с. : ил.

Автор посвящает свою работу маме Кутузовой Раисе Викторовне.
ОГЛАВЛЕНИЕ
СОКРАЩЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Г ЛАВА 1. ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА БИОЛОГИЧЕСКИМ ПУТЕМ
1.1. Одностадийные биологические методы получения водорода
1.2. Возможные схемы интеграции биологических процессов для получения водорода и электрического тока |7
1.2.1. Получение водорода различными биологическими путями и его преобразование в электрический ток ферментным электродом ]
1.2.2. Совмещение брожения и МТЭ с выделением водорода на обеих стадиях
1.2.3. Интеграция фотоавтотрофного накопления биомассы и ее двухстадийного разложения ] д
1.2.4. Совмещение фотосинтетического накопления и темнового сбраживания углеводов микроводорослями и фотогетеророфного выделения водорода из продуктов брожения
1.2.5. Интегрированные системы для повышения эффективности улавливания энергии света
1.2.6. Интеграция процессов получения водорода за счет фотоферментации и гетеротрофного брожения
ГЛАВА 2. КОМПОНЕНТЫ ДВУХСТАДИЙНОЙ СИСТЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ЗА СЧЕТ ГЕТЕРОТРОФНОГО БРОЖЕНИЯ И ФОТОФЕРМЕНТАЦИИ И СПОСОБЫ ИХ ОБЪЕДИНЕНИЯ
2.1. Гетеротрофные бактерии как компонент двухстадийной системы
2.1.1. Метаболические пути и эффективность получения водорода с помощью гетеротрофных бактерий
2.1.2. Использование различных субстратов и органических сточных вод (органических отходов) для получения водорода
2.2. Пурпурные несерные бактерии как компонент двухстадийной системы
2.2.1. Фотосинтетический аппарат ПНСБ
2.2.2. Нитрогеназный комплекс, гидрогеназы и выделение водорода ПНСБ
2.2.3. Получение водорода с помощью ПНСБ
2.2.4. Получение бактериохлорофилла а из биомассы ПНСБ
2.2.5. Иммобилизация как путь оптимизации выделения водорода пурпурными несерными бактериями

2..3. Способы объединения процессов получения водорода за счет фототрофного и гетеротрофного брожения
2.3.1. Совместные (смешанные) культуры для получения водорода
2.3.2. Постадийное культивирование
2.3.3. Одновременное культивирование в разделенных объемах
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. Объекты исследований и питательные среды
3.1.1. Анаэробный клостридиалъный консорциум
3.1.2. Пурпурные несерные бактерии
3.1.3. Подготовка ферментационной жидкости (ФЖ) в качестве среды для ПНСБ
3.2. Выделение водорода суспензиями пурпурных бактерий в кратковременных и продолжительных экспериментах
3.2.1. Кратковременные эксперименты
3.2.2. Продолжительные эксперименты
3.3. Выращивание биомассы ПНСБ богатой бактериолорофиллом а
3.4. Выделение водорода иммобилизованными пурпурными бактериями
3.4.1. Матрица для иммобилизации и ее активация
3.4.2. Конструкция фотобиореакторов для иммобилизованных культур (имм-ФБР), процедура иммобилизации и условия культивирования
3.4.3. Оценка колонизации матриц в процессе работы ФБР
3.5. Выделение водорода в совмещенном двухстадийном реакторе
3.6. Методы биохимических анализов
3.7. Прочие методы
3.8. Методы расчетов и характеристика используемых величин
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ ФЖ НА РОСТ И ВЫДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА ПНСБ
4.1. Влияние органических кислот
4.1.1. Влияние органических кислот и их концентраций
4.1.2. Особенности потребления органических кислот из их смеси
4.2. Влияние прочих возможных продуктов брожения (спирты, ацетон, Н2, С02)

Использование смешанных культур ПНСБ увеличивало скорость образования водорода, эффективность преобразования субстратов и общий выход водорода (Argun et al
2008). Несмотря на то, что устойчивость чистых культур пурпурных бактерий и их смесей в нестерильных условиях - предмет будущих исследований, показана принципиальная возможность выделения водорода в нестерильных условиях фотогетеротрофным консорциумом (Mohan et al, 2008).
Часто решающим фактором, влияющим на скорость выделения водорода, является интенсивность освещения. Это связано с тем, что восстановление НАД до НАДН происходит за счет органических доноров электронов при циклическом транспорте. Известно, что выделение водорода начинается, когда культура достигла своей максимальной скорости роста, и интенсивность света насыщающая (Basak, Das, 2009). Экспериментально было доказано, что скорость выделения водорода возрастает с увеличением интенсивности света, пока не будет достигнута насыщающая величина (Tsygankov et al., 1996). Оптимальной интенсивностью света для выделения водорода для видов Rba. sphaeroides и lib a. capsulatus было 9-15 Вт/м2 (Tao et al., 2008; Basak, Das, 2009). При дальнейшем увеличении интенсивности света наблюдается ингибирование (Basak, Das,
2009). Однако при использовании реакторов с разной толщиной культурального слоя и разной конфигурацией, различных типов ламп, оптимальная интенсивность света различается в широких пределах.
В среднем ПНСБ используют свет для выделения водорода с эффективностью 4% (Rocha е al., 2001). Теоретический максимум эффективности фотосинтеза - 10% (Akkerman et al., 2002). Кроме того, интенсивность света падает при прохождении света сквозь клеточный слой (Li et al., 2009). Поэтому для эффективного использования света при получении Нг для ПНСБ необходимы тонкослойные реакторы и, соответственно, обширные освещаемые площади. Это условие - основное препятствие в получении водорода фототрофными культурами.
Многие простые органические молекулы могут выполнять роль субстрата для роста и выделения водорода ПНСБ, включая продукты сбраживания углеводов, например, кислоты (лактат, ацетат, бутират, пропионат и сукцинат (Hillmer, Gest, 1977, Кондратьева, 1996; Tao et al., 2008)), их смеси (Shi, Yu, 2006), спирты (этанол и пропанол) (Fuji et al., 1987) и некоторые другие субстраты (бензоат, (Sasikala et al., 1994; Fissler et al., 1995)). Однако круг используемых субстратов варьируется от штамма к штамму (Tao et al., 2008).
Тип субстрата и его концентрация оказывают большое влияние на скорости выделения водорода и на эффективность преобразования субстрата в водород. Высокая эффективность преобразования субстратов в водород говорит о том, что больше энергии и