化解能源危机的微生物论文

化解能源危机的微生物 化学化工学院 彭培培 5121109039摘要：人类面临的能源危机日益加剧，急需寻求方法缓解能源危机。解决能源危机，必然要从有限的非生物资源时代过渡到无限的生物资源时代，自此微生物登上大舞台。在此了解能够缓解能源危机的微生物，全面认识并了解微生物资源在解决人类能源危机中的作用。关键词：能源危机，微生物，微生物能源开发 Microorganisms of Resolving the Energy Crisis CACE Penny Peng 5121109039 Humans are faced with the growing energy crisis, we need to seek some solutions to cope with the energy crisis. Solving this problem, we must transform Non-living resources time to Biological resources time which are unlimited. Here, we learn about the Microorganisms which can deal with the energy crisis and study the role of microorganism resources in solve the human energy crisis comprehensively.引言随着社会的飞速发展和人口的不断增长，人类面临的资源危机日益加剧，能源的巨大消耗即将引发空前的能源危机。然而，世界经济的现代化得益于不可再生的化石能源。人类要解决能源危机这一严重问题，必然要从有限的非生物资源时代过渡到无限的生物资源时代。在生物资源中，微生物以其独特的生理代谢优势，在解决能源危机中发挥了重大作用。1. 能源危机能源是人类社会生产生活的动力，现代社会发展与经济繁荣与能源的发展变革息息相关。能源危机是指因为能源供应短缺或是价格上涨而影响经济。这通常涉及到石油、电力或其他自然资源的短缺。近30年来，“石油危机”的发生和煤炭资源的巨大消耗，使人们对不可再生矿物能源贮量的有限性机器使用的局限性有了更深刻的认识。煤炭石油等矿物染料的广泛使用，一堆全球环境造成严重污染，甚至对人类自身的生存造成威胁。同时，矿物染料的存量是一个有限值，也会随着过度地开采而枯竭。根据1996年美国能源部的测算资源，世界已探明的矿物燃料的可使用年限约为：煤221年，天然气80年，石油39年。而中国已探明的矿物染料使用年限却分别为：煤85年，天然气69年，石油19年。能源危机已成为制约中国经济发展的重要因素。2. 微生物2.1微生物的基本概念 微生物1(microbe)是一群形态结构多样的生物体，包括病毒和单细胞类群和一小部分多细胞结构的生物体。在不借助显微镜的情况下，多数微生物不为肉眼所见。2.2微生物的特性2 微生物个体微小，大多数在微米级，需要用光学显微镜放大数百倍或数千倍才能看到，如真菌和细菌。各种微生物细胞具有其特定的形态结构，常见的有球形、杆形、螺旋形等；微生物体积小且表面积大，有巨大的比表面积，如一个直径为0.5m的球菌的比表面积科大120000，而人体仅为0.3。微生物巨大的比表面积使其吸收营养和排泄代谢废物的速度大增，所以微生物具有新陈代谢旺盛和生长繁殖速度快的特点，如某些细菌1h分解的糖量可大自身重量的100-1000倍。细菌一般20-30min即可繁殖下一代。微生物多以独立的单细胞存在，细胞与外界接触可导致低频率的变异，但由于微生物繁殖速度很快，在短时间内科产生大量变异后代。微生物在自然界中分布广泛，土壤、湖泊、矿层、人体、动植物体中都存在。微生物的种类多，有细菌、放线菌、立克次体、衣原体、支原体、螺旋体等，且每种微生物又有许多种。如目前自然界发现的真菌有10万种，估计自然界存在的真菌有100万-150万种.3. 微生物与能源开发由于现利用的化石能源储存有限，人类必须开发新能源来代替这些不可再生能源。在开发新能源的历程中，微生物能源将是最有希望的新能源之一。3.1微生物冶金33.1.1微生物冶金原理微生物浸出金属的院里分为间接作用和直接作用。间接作用：通过微生物作用产生硫酸、硫酸铁，然后通过硫酸或硫酸铁作为溶剂浸出矿石中的有用的金属。例如：氧化硫硫杆菌和聚硫杆菌把矿石中的硫氧化成硫酸，氧化亚铁硫杆菌能把硫酸亚铁氧化成硫酸铁。间接作用又被成为纯化学浸出法，其反应式为：2S+3O2+2H2O2H2SO4 4FeSO4+2H2O+O22Fe2(SO4)3+2H2SO4通过上述反应，细菌得到了所需要的能量，而硫酸铁可将矿石中的铁或铜等转变为可溶性化合物从矿石中溶解出来，其化学过程为：FeS2(黄铁矿)+7Fe2(S04)3+8H2O15FeSO4+8H2SO4Cu2S+2Fe2(SO4)34FeSO4+2CuSO4+S金属硫化矿物经过细菌溶浸后，收集含酸溶液，通过置换、萃取、点解或离子交换等，方法将各种金属加以浓缩和沉淀。3.1.2用于冶金的微生物 目前常用语冶金的微生物主要包括如下类型：（1） 硫杆菌属（Thiobacillus），该属包括至少14种，其中最重要的是氧化亚铁硫杆菌属（T.ferrooxidans）和氧化硫硫杆菌属（T. thiooxidans） 氧化亚铁硫杆菌的最适生长温度为28-35，最适PH为2.5-2.8,菌体呈杆状，大小为（0.3-0.5）m（1.0-1.7）m,属典型革兰阴性菌，单鞭毛，可动，严格好氧，严格无机化能自养，可氧化铁、还原态硫及硫化矿。氧化硫硫杆菌的最适生长温度为28-20，最适PH为2.0-3.5, 大小为0.5m（1.0-2.0）m,属典型革兰阴性菌，单鞭毛，可动，严格好氧，严格无机化能自养，可氧化还原态硫，但不能氧化铁和金属硫化矿。（2） 钩端螺菌属（Leptopirillum）该属细菌中氧化亚铁钩端螺菌（L.ferrooxidans）最重要。该菌最适生长温度为30，最适PH为2.5-3.0，螺旋状，（0.2-0.4）m（0.9-1.1）m, 典型革兰阴性菌,有鞭毛，可动，严格好氧，严格无机化能自养，可利用铁和黄铁矿为能源，但不能氧化硫。（3） 硫化杆菌属（Sulfobacillus）该均属严格好氧,极度嗜酸，生理生化特性相似，主要存在硫化矿物矿床及火山地带。最适温度50-55，最适PH1.7-2.4，杆状，典型革兰阳性菌，严格好氧，无机化能条件下，可氧化二价铁、S及硫化矿。（4） 硫球菌属（Sulfurococcus）该属菌极度嗜热，以布赖尔叶硫球菌为代表。最适温度70最适PH为2.0-3.0，球状，0.8-1.0m，典型革兰阴性菌，不可动，严格好氧，可氧化亚铁、S和硫化矿。微生物冶金固定资产投资较低，生产成本低，污染少，缺点在于过程的反应速度较慢。如何能用最短的时间，让细菌与大量矿石作用，特别是把细菌作用的温度调节到最佳是当下急需解决的问题。3.2微生物制备乙醇燃料以巴西国为例,由于该国盛产甘蔗,乙醇发酵原料充足,到1988年时,88%的新轿车的发动机都使用乙醇作燃料,在1000万辆汽车中有120万辆用乙醇,其余的使用含23%的乙醇燃料4。这些足以说明,乙醇是最有希望的替代能源。3.2.1制备乙醇的微生物能够发酵得到乙醇微生物种类很多，大体上可分为酒化菌（酵母菌）、糖化菌（丝状菌）和3大类。酒化菌：多在食品生产中使用，酿造酒类。糖化菌：可将淀粉质原料转化成葡萄糖的菌类。糖化力强,繁殖速度快，热稳定性良好，耐酸，耐酒精,不产或少产可降低甲醇生成量的果胶酶。常用的有曲霉、根霉、拟内孢霉、红曲霉和毛霉等。细菌：可发挥作用的有乳酸杆菌、醋酸菌、丁酸菌等。3.3沼气发酵沼气是作物秸秆、青杂草、人畜粪便等有机物在适当的温度、湿度、酸碱度和密闭条件下，经过沼气池微生物发酵分解作用产生的可燃混合气体。其主要是甲烷，占60-70%，二氧化碳占30-40%，还有少量的氢气、一氧化碳、硫化氢和氧气。可以作为燃料，成为化石能源的替代能源缓解能源危机。3.3.1沼气发酵原理沼气微生物在厌氧条件下，以发酵的方式分解有机物。首先，不产生甲烷的微生物将原料中的脂肪、蛋白质、糖类等有机物通过水解和发酵作用，大部分转化为不同的脂肪酸等物质，然后又甲烷杆菌将脂肪酸等转化为甲烷和二氧化碳。3.3.2沼气菌群沼气发酵过程中需要四大类菌群联合作用。第一类在污水、污泥中主要是腐败梭菌属（C.putrefaciens），在瘤胃中是拟杆菌属（Bacteroides）、月形单细胞菌属（Selenomonas）。这一类菌由于分泌胞外酶，同时形成少量氢气和二氧化碳，因而又称为水解性或发酵型细菌群。第二类菌群成为产氢产乙酸细菌群，能将第一类菌群的产物分解成乙酸、氢气、二氧化碳。第三类菌群称为同型产乙酸菌群，能够将糖类发酵成乙酸或将二氧化碳和氢气合成乙酸，这类细菌主要有醋酸杆菌属（Acetobacterium）和醋酸梭菌属（C.acetium）等。第四类为甲烷生产杆菌，包括十七个属，七个主要类群。例如：甲烷杆菌属、甲烷短杆菌属、剪完圆球菌属等。3.4微生物采油53.4.1微生物采油机理目前研究表明：微生物通过以下机理释出原油：（1） 酸化地层、溶解围岩和增加他的孔隙度和渗透率；（2） 由于地层的气体作用，所引起的降低石油粘度和增加岩层压力及基岩的溶解；（3） 地层的溶剂或直接地作为辅助表面活性剂而降低界面张力和增加石油的流度；（4） 地层的表面活性剂、生物聚合物等促进了石油释放微生物的代谢产物和变体。3.4.2微生物采油菌种的特征微生物采油法通常指向油藏注入合适的菌种及营养物，是君主在油藏中繁殖，代谢石油，产生气体或活性物质，可以降低油水界面张力，以提高采油效率。 一般来说，这些微生物具有以下特征：（1） 能够利用烃为食物进行代谢；（2） 能够有效地降低原油的粘度；（3） 能够降低油水界面的张力（4） 能够代谢产生有益于才有的各种代谢产物；（5） 能够提高油井的产量或采收率。结语与其它所有生物相比,微生物代谢类型十分多样化,对自然界各种物质的利用和分解能力都很强。凡是动植物能利用的,微生物都可以利用,而动植物所不能利用的甚至是剧毒物质,微生物也可以利用,并能把有害物质转变为无害物质。在生物资源中,微生物资源具有独特的生理代谢特点,在解决人类面临的资源危机中将发挥着不可替代的作用。 参考文献1 Baker.S, Niklin.J, Khan.J, Killington.R. Microbiology J Taylor & Francis Group 2006 2周长林，徐威，徐旭东，等.微生物学J中医药科技出版社2009.8,1-23刘仲敏，林兴兵，杨生玉.现代生物技术J化学工业出版社2004.8,384-3864 程东升.资源微生物学M.哈尔滨:东北林业大学出版社,1995.5林海.微生物应用技术M冶金工业出版社，2011，102-113