以微藻生產氫氣作為再生能源

李孟洲 博士

 

   

「化石燃料」的使用不但造成環境污染,且將面臨開採枯竭,遂有開發其他能源之迫切性。「氫氣」是理想的「再生能源」, 其來源除了「電解」水及其他「化學」之方法外,另可藉由某些「藻」種,在特定之代謝條件下可產生「氫氣」。如「Chlamydomonas reinhardtii(衣藻)」可透過「氫化酵素(hydrogenase)」之作用,在「缺硫」、「無氧」、有「光源」下,暫時性地產生「氫氣」。目前研究人員正積極尋求微藻「量產氫氣」之條件。

 

關鍵字:藻、能源、氫氣

 

 

依據我國「經濟部能源委員會」所發佈之「國內能源供需情勢:九十二年至九月國內能源供需概況」,文中提到我國「能源供需結構」指出,「進口能源」我國「能源供給總額」之97.84,「進口能源」包括原油、煤炭、及來自印尼與馬來西亞的液化天然氣等。再以能源供給之「種類」進行分析,以石油占49.95%最高,其次為煤炭33.08%,核能及水力發電分別占8.08%與1.45%,自產天然氣及進口液化天然氣二者合計占7.45%。由以上之資料可歸納出「化石燃料(fossil fuels)」,包括石油、煤炭、天然氣等,合我國「能源供給」總額之90以上(經濟部能源委員會, 2002)。「化石燃料」為主要「能源供給」之現象,是一全球性之趨勢。但許多專家學者一再警告大眾「化石燃料」即將枯竭之警訊,又「化石燃料」的使用還造成許多生態環保之浩劫,遂有開發其他能源之迫切需求。目前除了以「物理」、「化學」之產能方法,正在實驗室積極研究外,環保人士持續積極推廣之產能「概念」,是在自然界中,可不斷循環再生的「再生能源(renewable energy)」(Melis and Happe, 2001; Wunschiers and Lindblad, 2002)

 

「再生能源」是指人們可利用生生不息的大自然資源,如:太陽能、風力、水力、生質能、地熱及海洋能等,再經過儀器轉換成為電能,或是加工處理、或直接利用產生熱能(Clay, 2002; Gross et al., 2003)依據「經濟部能源委員會」所發佈之「國內能源供需情勢:九十二年至九月國內能源供需概況」,文中提到我國「水力發電」我國「能源供給總額」之1.45(經濟部能源委員會, 2002)。比例雖少,但從「台灣電力公司」所提供之資料,可知道政府及民間企業正設法提高「水力」、「風力」、「太陽能」等「再生能源」運用之比例。民國926月底再生能源(含慣常水力、風力、太陽光電、海洋溫差以及波浪發電)裝置容量為191.1系統裝置容量5.9%。政府在民國875月召開全國能源會議,宣布了在公元2020年,新能源規劃要達到13%的目標。行政院918月通過「再生能源發展條例(草案)」,訂定再生能源發電容量獎勵總量為650,宣示加強推動再生能源發電之政策(台灣電力公司, 2002)

 

在「再生能源」各項中,較少為人知,而政府及民間正開始投入資源研究的項目即是「生質能」,又稱為「生質能源(biomass energy)」、或「生物能源(bioenergy)」。「生質能」是泛指「利用生物產生的有機物質(即生質物, biomass),經過轉換後所獲得之可用能源」(Aristidou and Penttila, 2000; McKendry, 2002)工業技術研究院, 2002; 中時電子報, 2002 )。例如目前台灣地區的「生質能發電應用」有「垃圾焚化發電」及「沼氣發電」二大類,以內湖焚化廠為例,目前已將其產生的部份電力,回售給台電公司,連同其他垃圾焚化發電,總計裝置容量有475.3。另外,有關「沼氣」之利用方面,在農委會及農林廳的輔導下,以「豬糞尿厭氧消化處理研究」為題,開發各種沼氣利用的途。如高雄立大農畜公司,建立200頭豬之「糞尿處理系統」,產生的沼氣直接供燃燒及發電之用。另在台糖公司竹南畜產研究所設立10,000頭豬之「糞尿處理系統」,產生的沼氣做為「170kVA雙燃料引擎」的動力,提供養豬場的電力之需。上述之「垃圾焚化發電」及「沼氣發電」,不但能提供「電能」外,同時減少了大量有機廢棄物,減輕環境之負荷(台灣電力公司, 2002)

 

目前的石油、煤炭、天然氣等「化石燃料」,在燃燒後除了產生能量、二氧化碳、及水之外,還有種類繁多的有機化合物散逸在空氣中,造成許多負面的影響,如污染空氣及水源、破壞動物及昆蟲之棲息地、影響植物生長、引發人類呼吸道疾病及癌症等。所以科學界及環保團體不斷的尋求物染度更低的替代燃料,「氫氣」便是理想的候選物之(Ghirardi et al., 2000; Wunschiers and Lindblad, 2002)。「氫氣」在燃燒後,除了提供能量外,只產生水蒸汽,還不會產生二氧化碳造成「溫室效應」,是非常理想的「燃料」。而「氫氣」的來源,除了一般大家熟知的「電解」水及其他「化學」的方法,可以取得「氫氣」外,目前極為受重視的,就是由某些特定之「藻」種,在有光的環境下產生「氫氣」。又由於這些特定之「藻」種,除了可產生「氫氣」外,又可另外透過「光合作用」使「藻體」獲得養分而成長及增殖,這些增殖的「藻體」又可成為「優良蛋白質」及「健康食品」之來源,使得「藻」成為一種亟待開發之「生質能」標的(Wunschiers and Lindblad, 2002)

 

    「生物個體」之存活、「生命現象」之表現,最優先之條件在於「能量」之獲得。為了取得「能量」以延續生存,各種生物體「演化」出「經濟」的方式獲得能量。也為了確保「生存優勢」,各種生物體多半擁有獲取「能量」之「替代方案」,以應付詭譎多變之地球環境。利用光能的「綠色植物」,透過對光能的轉換,產生細胞能利用的「高能物質」-腺嘌呤核咁三磷酸(adenosine triphosphate, ATP)。依據「非循環性電子流(noncyclic electron flow)」學說,對於植物「光合作用」反應機制之描述,在植物細胞內之「類囊體thylakoid)」上,「光系統IIphotosystem II)」之「葉綠素(chlorophyll)」分子會吸收外界環境的「光能」,隨後在「光系統II」之反應中心(reaction-center chlorophyll P680)進行分解「水分子」之反應,產生「氧氣」、「氫質子(proton, H+)」、及「電子(electron, e-)」。其中「電子」會經由「電子傳遞鏈(electron transport chain)」傳送至「光系統Iphotosystem I)」,其過程並促成「光合磷酸化作用(photophosphorylation)」之進行,而合成了ATP,供「卡爾文循環(Calvin cycle)」使用,以合成醣類及其他有機物。而已經傳遞至「光系統I」之「電子」,會在「光系統I」之反應中心(reaction-center chlorophyll P700),藉由光能作第二次激發,最後被「NADP+ reductase」接收,參與「NADPHdihydronicotinamide adenine dinucleotide phosphate)」之合成。而合成「NADPH」與「ATP」之目的,皆是為了提供「卡爾文循環」使用。因為「卡爾文循環」在酵素「rubiscoribulose bisphosphate carboxylase)」之作用下進行「固碳作用carbon fixation)」,以合成醣類。上述的機制,簡單地以下列反應流程表示(Benemann, 1997)

 

 

 

 

CO2

                            

H2OPSIIPSIferredoxinrubisco[CHO]   (流程1

 

  O2

PSII: Photosystem II

PSI: Photosystem I

 

 

為了在變化忽之環境中,確保「ATP」與「NADPH」之穩定獲得,某些特定之「藻」種可透過特殊的代謝途徑,繼續產生「ATP」與「NADPH」來維持藻體的生存(Winkler et al., 2002b)。因為「ATP」與「NADPH」除了提供「卡爾文循環」使用外,還參與了「藻細胞」中各種生理及代謝的作用。當「綠色植物」轉換光能,分解「水」分子得到「氫質子」及「電子」,以作為「能量」傳遞的「介質」,來產生細胞所需之「ATP」與「NADPH」,同時也產生了「氧氣」這個代謝產物。但是當這些「藻」種遇到特殊的環境變化(stress),便會透過特殊的代謝途徑,來繼續產生「ATP」與「NADPH」,同時也會產生特殊的代謝產物。於1939年,德裔芝加哥大學的研究人員Hans Gaffron,在「Nature」發表了令人驚訝地報告,首先提出在「Scenedesmus obliquus中國大陸譯名:斜生柵藻)」的培養過程中,發現有「氫氣」的產生(Gaffron, 1939; Gaffron, 1940; Gaffron and Rubin, 1942; Wunschiers and Lindblad, 2002)。這個發現卻在五、六十年後,才在「尋找替代能源」的需求下,開始受到重視。

 

    有關於單細胞藻類產生「氫氣」的研究,目前以「Chlamydomonas reinhardtii(衣藻)」之研究較多,詳如附表一,原核生物亦曾被報導(Appel and Schulz, 1998; Das and Veziroglu, 2001; Tamagnini et al., 2002; Vignais et al., 2001)研究的關鍵在於目前對於「Chlamydomonas reinhardtii」之「氫化酵素(hydrogenase)」,其基因及酵素之作用機制有較多資訊,加上藻種之取得及培養容易所導致。目前已知會產生「氫氣」的單細胞藻類,其所需的條件不盡相同,推測是其產生「氫氣」之代謝機制不同所導致。以同一藻種而言,不同的培養環境,所誘發產生的「氫氣」產量也會有差異。但總括來說,單細胞藻類產生「氫氣」,是一種「非經常性」的代謝模式,其目的是為了彌補「不能順利進行光合作用產生ATPNADPH」所產生之代償反應(Appel and Schulz, 1998; Das and Veziroglu, 2001; Tamagnini et al., 2002; Vignais et al., 2001)

 

以「Chlamydomonas reinhardtii」產生「氫氣」為例,依據2001年加州大學的研究人員Anastasios MelisThomas Happe發表在科學期刊「Plant Physiology」上的實驗步驟(Melis and Happe, 2001),以一封閉的透明培養瓶,將「Chlamydomonas reinhardtii」在日光下,培養至36×107 cells/ mL,隨後移除含「硫」的營養鹽,此步驟將抑制「光系統II」的作用(Semin et al., 2003),使得「衣藻」不再分解「水」分子產生「氧氣」、「氫質子」與「電子」。「衣藻」在缺少「硫」的環境下,由於「光系統II」之作用受到抑制,隨即面臨因缺少「電子」而無法順利產生ATPNADPH的衝擊(stress),故改採用「呼吸作用」,透過「氧化醣類」來獲取藻體所需之能量。約24小時後,水中之溶氧dissolved oxygen)被消耗殆盡,使得「衣藻」第二次面臨缺少「能量」的危機。

 

    當「衣藻」第二次面臨缺少「能量」時,卻因缺少「硫」,使得「光系統II」仍處於被抑制的狀態下,迫使「衣藻」改採用「第三種」產生能量的代謝模式。在有光源、卻缺少「硫」的「無氧」環境下,在「類囊體」膜上負責進行「光合磷酸化作用」,以產生ATP的「電子傳遞鏈」作用系統,不能再從「光系統II」獲得「電子」。此時,在「葉綠體基質choroplast stromal)」內的酵素-「NADPH oxido-reductase(Happe et al., 1994),開始負起「提供電子」的任務。「NADPH oxido-reductase」會將葉綠體內的「NAD(P)H」氧化成「NAD(P)+」,而「NADPH oxido-reductase」並且將所得到的「電子」傳遞給「電子傳遞鏈」作用系統,去進行「光合磷酸化作用」產生ATP。隨後「電子」仍會經由「電子傳遞鏈」傳送至「光系統I(Happe and Kaminski, 2002; Melis and Happe, 2001)

 

在自然環境中,已經傳遞至「光系統I」之「電子」,會在「光系統I」之反應中心(reaction-center chlorophyll P700),藉由光能作第二次激發,被含有「鐵原子」的酵素「鐵氧化還原蛋白(ferredoxin)」接收,最後再傳遞給「NADP+ reductase」,將「NADP+」還原成「NADPH」,如前述之「流程1」。但在「衣藻」第二次面臨缺少「能量」時,「電子」會由「光系統I」傳遞給另一個亦含有「鐵原子」的特殊酵素,即「氫化酵素(hydrogenase)」。「氫化酵素」會利用所獲得的「電子」,將「氫質子」還原成「氫氣」,而釋出藻體(Happe and Kaminski, 2002; Melis and Happe, 2001)。以前述的實驗條件下,每小時每公升(1L)的「衣藻」水體,大約可產生2.02.5 mL之「氫氣」,此現象可維持2470小時,隨後「氫氣」產量持續減少(Melis and Happe, 2001)

 

    前述之「NADPH oxido-reductase」會將葉綠體內的「NAD(P)H」氧化成「NAD(P)+」,並且將所得到的「電子」傳遞給「電子傳遞鏈」作用系統,進行ATP的合成。但追溯「NADPH oxido-reductase」氧化「NAD(P)H」之反應動力,推測可能是透過「氧化藻體內之醣類或蛋白質」所獲得的,例如發生在細胞質(cytoplasm)內的「醣解作用glycolysis)」或「三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle)」(Happe and Kaminski, 2002; Melis and Happe, 2001)。也因此在產生「氫氣」24小時後,藻體的重量開始遞減(Melis and Happe, 2001)

 

    當「氫氣」產量明顯減少時,只需恢復培養液中,含「硫」營養鹽的供給,在日光下藻體隨即可進行「典型的」光合作用反應,產生「氧氣」,而藻體的數目並沒有明顯的差異,藻體外型也會從「球」狀恢復成飽滿的「圓球」狀(Melis and Happe, 2001)。並且可再重複前述「產生氫氣」的過程,可說是對「藻類」盡其最大之利用,也堪稱是「再生能源」極佳的典範。

 

但將「量產氫氣」之重責大任,寄予在單細胞藻類「非經常性」的代謝模式上,是否過於樂觀?隨著「分子生物學」及其技術之日新月異,目前既然已掌握多種物種之「氫化酵素」基因及其蛋白質結構(Appel and Schulz, 1998; Das and Veziroglu, 2001; Tamagnini et al., 2002; Vignais et al., 2001; Winkler et al., 2002a)再配合更多關於「氫化酵素」生化及代謝之知識,發展「氫化酵素」之誘導劑(inducers)或相關酵素之抑制劑(inhibitors)、或是篩選氫化酵素「基因過渡表現(gene over-expression)」之藻種,配合「微藻培養技術」及「微藻固定化技術」之精進,是可以實現單細胞藻類「量產氫氣」的想法,作為「再生能源」取代「化石燃料」的使用,以下便舉一實驗為例說明上述觀點的可行性。

 

    從前面的說明可以發現,「光系統II」的抑制,是促使「衣藻」產生「氫氣」的首要步驟(Semin et al., 2003)。而在1933年,即已發現一種特殊的化合物:3-(3, 4-dichlorophenyl)-1, 1-dimethylureaDCMU),可專一性地抑制「光系統II」的作用(Florin et al., 2001; Happe and Naber, 1993)。故可先將「衣藻」在「缺氧」且「無光源」的環境下,加入「光系統II」的抑制「DCMU」培養一段時間,待「衣藻」將水中之溶氧經由「呼吸作用」消耗殆盡後,再給予「光源」繼續培養,由於「光系統II」受到「DCMU」的抑制,此時便會產生大量「氫氣」(Melis and Happe, 2001)。前述的現象不需要再移除培養基中含「硫」營養鹽的供給,即可促使「衣藻」產生「氫氣」。前述「衣藻」產生「氫氣」的機制,簡單地以下列反應流程表示(Benemann, 1997)

 

 [CHO]PSIferredoxinhydrogenaseH2   (流程2

CO2

 

    又由於「衣藻」在「缺氧」且「無光源」的環境下,也會進行「發酵作用(fermentation)」以取得「能量」(Benemann, 1997; Happe and Kaminski, 2002; Melis and Happe, 2001)。故亦有研究人員推測,「氧化藻體內之醣類或蛋白質」所獲得的「電子」,可能不需經過「光系統I」之激發,即可由含有「鐵原子」的「氫化酵素」接收而產生「氫氣」,簡單地以下列反應流程表示(Benemann, 1997)

 

 [CHO]ferredoxinhydrogenaseH2   (流程3

CO2

 

 

    目前除了對「藻類」的「代謝作用」,有了初步的瞭解外,對於「氫化酵素」之酵素作用及其基因也有一些認識。以目前現現有之研究,大致上可將「氫化酵素」分為三類(Appel and Schulz, 1998; Das and Veziroglu, 2001; Tamagnini et al., 2002; Vignais et al., 2001)第一類是「典型的可逆性氫化酵素」(reversible or classical hydrogenase),此類酵素會依細胞內的生化條件,進行「將氫質子還原成氫氣」或是其相反之代謝反應。此類酵素通常需要「電子攜帶者(electron carrier)」的協助,如前述「衣藻」的「氫化酵素」即屬此類。「衣藻」的「氫化酵素」,自「光系統I」所獲得的「電子」,便是藉由「鐵氧化還原蛋白(ferredoxin)」的協助,將「電子」自「光系統I」傳遞至「氫化酵素」,如上述之「流程2」。

 

第二類「氫化酵素」是屬於「膜上型membrane-bound)」的,其作用是可利用氫氣,產生「氫質子」將「NADP+」還原成「NADPH」,故不產生氫氣。第三類的「氫化酵素」就是「固氮酵素(nitrogenase)」,到目前為止,僅在部分的細菌與藍綠藻(cyanobacteria, blue-green algae)才有發現此類酵素。「氫氣」是此酵素進行「固氮作用(nitrogen fixation)」時的副產物,並且為一不可逆之反應(Das and Veziroglu, 2001; Tamagnini et al., 2002; Vignais et al., 2001)

 

由於「氫化酵素」的作用實際上就是「氧化還原反應」,故「氫化酵素」多半含有「金屬原子」以作為「電子接受者(electron acceptor)」。若以「氫化酵素」所含有之「金屬原子」做分類依據,亦是可將「氫化酵素」分為三類(Happe and Kaminski, 2002):第一類是同時含有「鎳原子」及「鐵原子」的「氫化酵素」(nickel-iron hydrogenase, NiFe-hydrogenase);第二類是含有「鐵原子」的「氫化酵素」(Fe-hydrogenase);第三類則是不含「金屬原子」的「氫化酵素」,目前僅有「古細菌(Archaea)」才有發現此類酵素。而前述「衣藻」的「氫化酵素」,即是含有「鐵原子」的「氫化酵素」。

 

    目前已有研究說明含有「鐵原子」的「氫化酵素」,其「氨基酸」及「基因」序列(Das and Veziroglu, 2001; Tamagnini et al., 2002; Vignais et al., 2001)衣藻」的「Fe-hydrogenase」蛋白是由497個氨基酸組成、「Scenedesmus obliquus」的「Fe-hydrogenase」為448個氨基酸組成、「Scenedesmus vacuolatus」的「Fe-hydrogenase」為436個氨基酸組成、土壤厭氧菌「巴斯德氏梭狀芽胞桿菌(Clostridium pasteurianum)」的「Fe-hydrogenase」為574個氨基酸組成。這些不同物種的「Fe-hydrogenase」皆來自相同的基因「HydA」,並推測還有另一個基因「HydB」存在「衣藻」及「Scenedesmus obliquus」中,可產生「氨基酸」序列稍有差異的「Fe-hydrogenase(Winkler et al., 2002b)。雖然有了上述有關「Fe-hydrogenase」生化代謝、蛋白質結構、及基因的研究,但還有幾個問題值得吾人再探討的。

 

    首先,基因「HydA」並非「恆常的(constitutive)」表現,而是需要「無氧」環境的誘導(Winkler et al., 2002b; Wunschiers and Lindblad, 2002)。這也是前述「衣藻產生氫氣」的實驗中,需要一段「無光」、「無氧」的環境,讓「衣藻」進行「呼吸作用」把水中的「溶氧」消耗掉,才能誘導「衣藻」在「光源下」產生氫氣。故以「選種」或「基因工程」,得到能「大量表現」氫化酵素的「藻種」,是實現「藻類量產氫氣」的首要條件。若能得到在「有氧」環境下,依然能進行「產氫」(O2-tolerant H2-production)的「藻種」,操作起來更是方便而有效率(Flynn et al., 2002)

 

    其次,要實現「藻類量產氫氣」,需要克服在無氧環境下,「藻體」的代謝趨勢,是偏向進行「發酵作用」,而並非上述之「流程2」及「流程3」、會產生「氫氣」的「光發酵作用(photo-fermentation)」。「藻體」的「發酵作用」,是透過酵素「丙酮酸脫羧酵素(pyruvate decarboxylase)」及「醇脫氫酵素(alcohol dehydrogenase)」,消耗「藻體內」的「丙酮酸(pyruvate)」及「氫質子」,會產生「二氧化碳」、「酒精」、及「甲酸鹽(formate)」,而減少「氫氣」的生成(Winkler et al., 2002b)。為解決這個問題,除了透過「選種」或「基因工程」,得到能「大量表現」氫化酵素的「藻種」之外,還可發展「發酵作用」相關酵素之「抑制劑」,或「氫化酵素」的「促進劑」,以實現「藻類量產氫氣」,作為「再生能源」之使用。

 

附表  已被科學期刊發表之產「氫氣」的單細胞藻類

 

Name

References

Scenedesmus obliquus

(Gaffron, 1939)

Chlamydomonas reinhardtii

(Happe and Kaminski, 2002)

Chlamydomonas moewusii

(Winkler et al., 2002b)

Chlamydomonas noctigama

(Winkler et al., 2002b)

Lobochlamys segnis

(Winkler et al., 2002b)

Scenedesmus vacuolatus

(Winkler et al., 2002a)

Chlorella fusca

(Winkler et al., 2002a)

Chlorococcum littorale

(Ueno et al., 1999)

 

 

 

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