污泥厌氧消化制氢原理

污泥污水的厌氧消化制氢是由一系列的酶、辅酶以及电子传递中间体共同参与完成的一种生物氧化的处理方式，在消化产氢过程中，生物氧化过程中的多余电子和还原力可以被消耗掉，从而可以对代谢进行调控。

污泥生物制氢主要是通过发酵细菌的作用来产氢。能够发酵污泥有机物产氢的细菌包括兼性厌氧菌和专性厌氧菌，如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠埃希式杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌、白色瘤胃球菌、根瘤菌等。发酵细菌能够利用多种底物在氢酶或固氮酶的作用下将底物分解生成氢气，这些底物包括乳酸、甲酸、丙酮酸、各种短链脂肪酸、淀粉、葡萄糖、纤维素二糖及硫化物等。一般认为发酵细菌的发酵类型是丙酸型和丁酸型，例如葡萄糖经丁酸梭菌和丙酮丁醇梭菌进行的丁酸-丙酮发酵，可伴随生成氢气。

01丙酮酸脱羧产氢

复杂碳水化合物经过水解作用生成单糖，单糖通过丙酮酸途径进行分解，在氢气产生的同时伴随着挥发酸或醇类物质的生成。微生物糖酵解途径经过丙酮酸的途径主要有EMP（embden meyerhof parnas）途径、HMP（hexose monophosphate pathway）途径、ED（entner doudoroff）途径和PK（phospho ketolase）途径。丙酮酸是在物质代谢中非常重要的中间产物，并且在能量代谢中起着关键作用，其经过发酵后可转化为乙醇、乙酸、丙酸、丁酸或乳酸等。在不同微生物种群的作用下，丙酮酸分解的产物不同，因此导致其产氢能力也不尽相同。在代谢过程中，许多微生物可产生分子氢，其中仅细菌就有二十多个属的种类。在丙酮酸各种不同代谢途径中，丁酸发酵、混合酸发酵以及细菌乙醇发酵均可以产生氢气，其中丁酸发酵和混合酸发酵报道相对较多，例如梭菌属是丁酸发酵中的主要产氢细菌，肠杆菌是混合酸发酵中的主要产氢细菌；细菌乙醇发酵也存在产氢和不产氢两种情况，目前已发现的产氢细菌相对较少，主要为梭菌属（Clostridium）、拟杆菌属（Bacteroides）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）等。丙酮酸脱羧产氢途径和甲酸裂解产氢途径见图1。

02辅酶Ⅰ的氧化与还原平衡调节产氢

在碳水化合物发酵的过程中，经过EMP途径而产生的还原型辅酶Ⅰ（NADH H ）需通过与乙酸、丙酸、丁酸、丙酮和乳酸等末端酸性产物相偶联得以氧化生成氧化型辅酶Ⅰ（NAD ），以维持代谢过程中的NADH/NAD 的平衡。在生物体内，NADH H 与NAD 的比例是一定的，在NADH H 的消耗量少于其生成量时，生物体就会通过采取一定的机制进行调节，以减少末端酸性产物的产率以降低NADH H 的再生率。过多的NADH H 可在厌氧氢化酶的作用下通过释放分子氢以使NADH H 进行氧化再生。在标准状况下，虽然NADH H 转化为H2的过程不能自发地进行，但是当存在NADH-铁氧还蛋白以及铁氧还蛋白氢酶的条件下，它们作为催化剂，该反应是可以进行的。
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03厌氧消化产氢的代谢过程

20世纪70年代末，布赖恩特提出四阶段厌氧发酵理论，依次为水解阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。在水解阶段，大分子有机物在细菌胞外酶的作用下被分解为小分子水解产物，小分子水解产物可以溶解于水并透过细胞膜而被细菌所利用，其中包括蛋白质的水解、脂类和纤维素的水解以及碳水化合物的水解等。水解过程是一种酶促反应，发生相对缓慢，因此一般认为水解过程是对一些含有高分子有机物或悬浮物的污水进行厌氧降解的主要的限速步骤。

在酸化阶段，在发酵细菌细胞内水解产生的小分子化合物，其中包括糖类和氨基酸的厌氧氧化以及较高级脂肪酸和醇类的厌氧氧化产生的化合物，转化为更为简单的化合物并且分泌到细胞外部。酸化阶段的主要产物包括醇、醛、VFA、二氧化碳和氢气等。

在产氢产乙酸阶段，水解酸化阶段的产物在产氢和产乙酸细菌群的作用下进一步分解为乙酸、氢气、二氧化碳以及新的细胞物质，其中包括从中间产物中形成乙酸和氢气（产氢产乙酸）以及由二氧化碳和氢气形成乙酸（同型产乙酸）。

在产甲烷阶段，有两组生理性质不同的专性厌氧产甲烷细菌群。其中一组可利用一氧化碳和氢气合成甲烷或利用二氧化碳和氢气合成甲烷；另一组则可利用甲酸、甲醇等裂解生成甲烷或乙醇脱羧生成甲烷和二氧化碳。

通过上述对厌氧发酵4个阶段的分析可以看出，氢气只是厌氧发酵过程中间步骤（产氢产乙酸阶段）的副产物。在厌氧环境中，有机底物发生氧化还原反应，辅酶NADP 或NAD 接受被脱氢酶作用而脱去的氢质子，进而生成NADPH或NADH。在无氧外源氢受体的条件下，底物脱氢后产生的还原力［H］直接被内源性中间代谢产物所接受，从而产生NADPH或NADH，再通过厌氧脱氢酶的作用脱去NADPH或NADH上的氢，其氧化后产生氢气。

氢气作为万能的电子供体，在产甲烷细菌存在且环境条件适宜时尤为明显的条件下，氢气产生后很容易被消耗掉。因此，如果想要通过厌氧发酵方法来获得氢气，就必须严格控制条件使产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段断开，使上述反应成为一个不连续反应。通常可以通过改变环境条件，创造对产甲烷细菌产生抑制而同时对产氢细菌有利的生存环境。产氢细菌在极端热或者极端冷、强酸、强碱等极端的环境下可以形成芽孢，一旦条件适宜，芽孢又会重新恢复活性。但是由于产甲烷细菌等不能形成芽孢，因而，在极端的条件下会被杀死而失去活性。综上所述可通过极端环境处理的方式来达到菌种筛选的目的。

04氢酶的催化机制

氢酶（hydrogenase）是一种催化产氢反应的关键性酶，不具专一性。氢酶除了在有足够的还原力时催化产氢外，还可以催化吸氢反应。氢酶是催化时伴有氢分子的吸收和释放的氧化还原反应酶，存在于肠道细菌群、梭菌、硫酸还原细菌、固氮菌属、氢单胞菌属等细菌和某些藻类中。根据氢酶种类的不同，由氢所还原的电子受体或放出H2的电子供体有NAD 、Fd铁氧还蛋白和细胞色素C3（硫酸还原菌）3种，它们直接或间接地通过氢酶参与色素、NAD 及有机基质进行氧化还原反应。可以产氢的微生物都含有氢酶，它催化氢气与质子相互转化的反应：H2[插图]2H 2e。

按照所含金属原子的种类可以将现有的氢酶分成［NiFe］氢酶、［NiFeSe］氢酶、［Fe］氢酶和无任何金属原子的氢酶4种。［NiFe］氢酶分为吸氢酶和放氢酶，广泛地存在于各种微生物中。［Fe］氢酶催化产氢的活性比［NiFe］氢酶高100倍以上，对氧尤为敏感。虽然对［NiFe］氢酶和［Fe］氢酶的研究较多，并且晶体结构都已确定，但对核苷酸序列的分析表明，在结构上［NiFe］氢酶和［Fe］氢酶有很大差异。

［NiFe］氢酶和［Fe］氢酶在结构的起源上虽有很大不同，但从结构上来讲均由电子传递通道、质子传递通道、氢气分子传递通道和活性中心4部分组成，二者在催化机制上基本是一致的。电子和质子分别通过电子传递通道和质子传递通道传递到酶内部的活性中心，形成的氢气分子再由其传递通道释放至酶表面。［NiFe］氢酶的活性中心由Ni和Fe组成，异双金属原子中心以4个硫代半胱氨酸残基通过硫键连接在酶的分子上。［Fe］氢酶的活性中心由两个Fe原子（Fe1和Fe2）组成双金属中心，该活性中心通过Fe1上的一个硫代半胱氨酸与近端［4Fe～4S］簇相连而连接在酶分子上。在［NiFe］氢酶和［Fe］氢酶的活性中心都含有一个空的或是电位上空的位点，该位点可能与结合H2有关。