生物制氢汇总课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,4生物制氢,1.,氢与氢能,元素周期表第一个元素,原子结构最简单,氢气密度最小，无色无味,常压下，,-252.87,时可变为无色液体,常压下，,-259.1,时可变成雪状固体,氢气燃烧产生大量的热（,氢能,）：,142 kJ/g,，是汽油发热量的,3,倍,燃烧速度快，易爆,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,最理想的能源,2,氢能的特点,(1),来源广。自然界存在的氕，其丰度约为氢总量的,99.98%,。地球上的水储量为,21018,万,t,，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,121061kJ/kg,，是甲烷的,2.4,倍，汽油的,2.4,倍，乙醇的,4.5,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；,(4),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，能适应储运及各种应用环境的要求。,(6),氢是“和平”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，因此可以说是“和平”的能源。,3,氢能的发展是历史的必然？,能源利用的趋势：高碳,低碳； 低氢 高氢；固态 气态,能源 氢,/,碳 碳,/,氢,柴薪,0.01 100,煤炭,0.7 1.43,石油,1.8 0.56,天然气,3.5 0.29,氢 ,0,4,氢能发展概况,1974,年，国际氢能源协会（,International Association for Hydrogen Energy,，,IAHE,）创办，并于,2000,年开始举办两年一届的国际氢能论坛（,Hyforum,）。,2003,年,11,月在美国首都华盛顿欧米尼,西海姆大酒店举行氢能国际经济合作伙伴（,IPHE,）会议，共有,15,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,2020,年，,制氢的成本,费用降低到能使其称为,交通运输燃料,的选择之一。,5,氢能,永恒的能源,电：不能大规模存储；氢：可大规模存储。,核聚变：氘,+,氚 氦；氢弹、太阳能。,受控核聚变： 高温（几千万,-,几亿摄氏度） 低气体密度（常温常压下的几万分之一） 能量约束时间超过,1s,。,资源丰富：,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；,氚,没有；,锂,锂,+,中子 氚，锂可用,12,万年。,分数氢：常规氢与核聚变的中间层。,6,氢的制备方法,水制氢,电解：通电；,热化学：,1000,，催化剂（,Me,3,O,4,，,MeCl,2,）；,热裂解：,3000,。,化石能源制氢,煤气化：煤 焦炭；,C + H,2,O,H,2,+ CO; CO + H,2,O H,2,+ CO,2,天然气：,CH,4,+ 2H,2,O 4H,2,+ CO,2,; CH,4, 2H,2,+ C,石油：,CH,3,OH + H,2,O 3H,2,+ CO,2,;,通式：,h,v,+ C,x,H,y,+ H,2,O H,2,+ CO,2,;,7,8,2.,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（固氮作用等）、光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；,9,10,2.1,光合作用,11,原初反应,电子传递和光合磷酸化,光反应,暗反应,12,光反应的主要蛋白,舞台,主演,配角,13,2.1.1,原初反应,是指,从光合色素分子,被光激发,，到引起第一个,光化学反应,为止的过程。,物理过程：光的吸收、传递,化学过程：电子传递,特点,1.,速度非常快，,10,12,s,10,9,s,内完成；,2.,与温度无关，,(77K,，液氮温度,)(2K,，液氦温度,),；,3.,量子效率接近,1,。,14,天线色素,特殊色素,15,16,17,光的吸收与传递,色素分子的能态,激发态的命运,1.,放热,2.,发射荧光与磷光,3.,色素分子间的能量传递,4.,光化学反应,18,色素分子间的能量传递,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,能转移能量但不能转移电荷。,这种在,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。,19,共振传递,在色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中高能电子的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动,(,共振,),，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。这种依靠电子振动在分子间传递能量的方式就称为“共振传递”。,在共振传递过程中，供体和受体分子,可以是同种，也可以是异种分子,。,能量传递过程中不发生光的吸收和电子的传递。,20,能量传递过程的能量变化,21,光化学反应,反应中心,反应中心是发生原初反应的最小单位，它是由,反应中心色素分子,、,原初电子受体,、,次级电子受体与供体,等电子传递体，以及维持这些电子传递体的微环境所必需的,蛋白质,等成分组成的。,原初电子受体,是指直接接收反应中心色素分子传来电子的电子传递体,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的，因此反应中心色素分子又称,原初电子供体,。,22,23,原初反应,光化学反应,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：,PA P,*,A P,+,A,基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的反应中心,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。,原初电子供体失去电子，有了“空穴”，成为“陷阱” ，便可从,次级电子供体,那里争夺电子；而原初电子受体得到电子，使电位值升高，供电子的能力增强，可将电子传给,次级电子受体,。供电子给,P,+,的还原剂叫做次级电子供体,(D),，从,A,接收电子的氧化剂叫做次级电子受体,(A1),，那么电荷分离后反应中心的更新反应式可写为：,DP,+,A,A1 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传递体中传递。,h,v,24,PS,和,PS,的光化学反应,次级,电子供体,反应中心色素分子（原初电子供体）,原初,电子受体,次级,电子受体,PS,PC,P700,叶绿素分子,(A,0,),铁硫中心,PS,Y,Z,P680,去镁叶绿素分子,(Pheo),醌分子,(Q,A,),25,2.1.2,电子与质子传递,26,27,光系统,（,Photosystem ,，,PS,）,PS,是含有多亚基的蛋白复合体。它由,聚光色素复合体,、,中心天线,、,反应中心,、,放氧复合体,、,细胞色素,和,多种辅助因子,组成。,PSII,反应中心结构模式图,示意,PSII,反应中心,D1,蛋白和,D2,蛋白的结构。,电子从,P680,传递到去镁叶绿素（,Pheo,）继而传递到两个质体醌,QA,和,QB,。,P680+,在“,Z”,传递链中被,D1,亚基中,酪氨酸残基,还原。,Mn,聚集体,(MSP),对水的氧化。,CP43,和,CP47,是叶绿素结合蛋白。,28,PS,反应中心的核心部分是分子量分别为,32 000,和,34 000,的,D,1,和,D,2,两条多肽。,反应中心的次级电子供体,Z,、中心色素,P680,、原初电子受体,Pheo,、次级电子受体,Q,A,、,Q,B,等都结合在,D,1,和,D,2,上。其中与,D,1,结合的质体醌定名为,Q,B,，与,D,2,结合的质体醌定名为,Q,A,。这里的,Q,，醌,(Quinone),的字首。,组成中心天线的,CP47,和,CP43,是指分子量分别为,47 000,、,43 000,并与叶绿素结合的聚光色素蛋白复合体，它们围绕,P680,，比,LHC,更快地把吸收的光能传至,PS,反应中心，所以被称为中心天线或“近侧天线”。,29,醌的电子传递,Q,A,是单电子体传递体，每次反应只接受一个电子生成半醌 ，它的电子再传递至,Q,B,，,Q,B,是双电子传递体，,Q,B,可两次从,Q,A,接受电子以及从周围介质中接受,2,个,H,+,而还原成氢醌,(QH,2,),。这样生成的氢醌可以与醌库的,PQ,交换，生成,PQH,2,。,30,水的裂解与氧的生成,放氧复合体,(OEC),又称锰聚合体,(M,MSP),，在,PS,靠近类囊体腔的一侧，参与水的裂解和氧的释放。,每释放,1,个,O,需要从,2,个,H,2,O,中移去,4,个,e-,，同时形成,4,个,H,。,PS,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，并把水中的电子传至质体醌。,31,质体醌,质醌,(PQ),也叫质体醌，是,PS,反应中心的末端电子受体，也是介于,PS,复合体与,Cyt b,/f,复合体间的电子传递体。,质体醌在膜中含量很高，约为叶绿素分子数的,5%,10%,，故有,“,PQ,库”,之称。,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,PS(,也可是,PS),传来的电子，同时与,H,结合；还原态的质体醌在膜的内侧把电子传给,Cyt b,/f,，氧化时把,H,释放至膜腔。这,对类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的作用。,32,细胞色素,b,6,/f,复合体,Cyt b,6,/f,复合体主要催化,PQH,的氧化和,PC,的还原，并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。因此,Cyt b,/f,复合体又称,PQH,PC,氧还酶,。,Cytb,/f,复合体作为连接,PS,与,PS,两个光系统的中间电子载体系统，是一种多亚基膜蛋白，由,4,个多肽组成，即,Cytf,、,Cytb,、,Rieske,铁,-,硫蛋白、,17kD,的多肽,等。,33,质体蓝素,质蓝素,(PC),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,Cyt b,/f,复合体与,PS,之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化还原变化来传递电子。,PC,在类囊体腔内移动。,34,光系统,（,PS,）,PS,由反应中心和,LHC,等组成。反应中心内含有,11,12,个多肽，其中在,A,和,B,两个多肽上结合着,P700,及,A,0,、,A,1,、,F,X,、,F,A,、,F,B,等电子传递体。每一个,PS,复合体中含有两个,LHC,，,LHC,吸收的光能能传给,PS,的反应中心。,35,PS,的电子传递,两个主要的蛋白质亚基,psaA,和,psaB,的分布状况。,电子从,P700,传递到叶绿素分子,A,0,，然后到电子受体,A,1,。,电子传递穿过一系列的被命名为,F,X,，,F,A,，,F,B,的,Fe-S,中心，最后到达可溶性铁硫蛋白（,Fdx,）。,P700,+,从还原态的质蓝素（,PC,）中接受电子。,psaF,，,psaD,和,psaE,几个,PSI,亚基参与可溶性电子传递底物与,PSI,复合体的结合。,36,铁氧化还原蛋白,铁氧还蛋白,(Fd),和铁氧还蛋白,-NADP,还原酶,(FNR),都是存在类囊体膜表面的蛋白质。,FNR,中含,1,分子的黄素腺嘌呤二核苷酸,(FAD),，依靠核黄素的氧化还原来传递,H,+,。因其与,Fd,结合在一起，所以称,Fd-NADP,还原酶。,FNR,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,H,，还原,NADP,为,NADPH,，反应式可用下式表示：,2Fd,还原,+NADP,+ H,FNR,2Fd,氧化,+ NADPH,37,光反应的电子与质子传递,光合磷酸化,38,图中经非环式电子传递途径传递,4,个,e,-,产生,2,个,NADPH,和,3,个,ATP,是根据光合作用总方程式推算出的。在光反应中吸收,8,个光量子,(PS,与,PS,各吸收,4,个,),，传递,4,个,e,能分解,2,个,H,2,O,，释放,1,个,O,2,，同时使类囊体膜腔增加,8,个,H,，又因为吸收,8,个光量子能同化,1,个,CO,2,，而在暗反应中同化,1,个,CO,2,需消耗,3,个,ATP,和,2,个,NADPH,，也即传递,4,个,e,-,，,可还原,2,个,NADPH,，经,ATP,酶流出,8,个,H,+,要合成,3,个,ATP,。,39,电子传递过程的能态变化,40,电子传递的类型,根据电子传递到,Fd,后去向，将光合电子传递分为三种类型：,非环式、环式和假环式。,非环式,41,环式,环式电子传递不发生,H,2,O,的氧化，也不形成,NADPH,，但有,H,+,的跨膜运输，可产生,ATP,，每传递一个电子需要吸收一个光量子。,环式电子传递多存在于无,PS,的生物中。,42,假环式,43,光反应总结,如何进行光裂解产氢反应？,44,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,