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目前制氫的主要方式是電解水和富氫化合物催化重整，但均須大量的能量輸入。而生物制氫技術，可通過微生物將生物質或太陽能轉換為氫氣。
引言
為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，找到充足的清潔能源供應為當前面臨的最大的技術挑戰(zhàn)之一，能源發(fā)展與全球局勢穩(wěn)定、經(jīng)濟繁榮、生活品質有著密切聯(lián)系。
就目前而言，日常生活中的大部分能量供給均由化石能源提供。不斷增長的能源需求會加速有限的化石能源的枯竭，作為世界主要的石油出口國之一的阿拉伯聯(lián)合酋長國，至2040年左右，其石油與天然氣將無法滿足日漸增長的需求。
化石燃料在燃燒過程中除了釋放溫室氣體CO2之外，其所產(chǎn)生的空氣污染物還會包括NOx、SOx、CO、固體顆粒物及具有揮發(fā)性的有機化合物，以此會對大氣造成嚴重污染。
化石燃料除了在日漸減少的同時，也增加了大氣環(huán)境中CO2的含量。在過去的數(shù)年中，針對未來可利用的能源開展了研究，重點為能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的替代能源，主要包括氫能、生物能、風能、核能、太陽能等。
氫能與藻類制氫技術
H2由于其可再生性、燃燒過程不會產(chǎn)生溫室氣體CO2，燃燒時能量密度較高，以及可通過燃料電池轉換為電能等優(yōu)勢，通常被視為一類充滿應用前景的清潔。
早在20世紀90年代末期，可持續(xù)產(chǎn)氫技術有了顯著突破，但目前其僅限于在實驗室內部的小規(guī)模生產(chǎn)，尚無法得以大規(guī)模商業(yè)化。
目前，自然界存在的光解水反應及氫化酶物質。O2對氫化酶的功用會產(chǎn)生一定的負面影響，同時會對氫化酶產(chǎn)生抑制影響。
藻類是最古老的生命形式之一，是植物中的一類，具有葉狀體結構及可再生細胞，同時，可利用葉綠素a作為主要的光合作用色素。藻類的組織構造主要可為細胞自身生長轉化能量，此類簡單的生產(chǎn)模式可使其在適應環(huán)境條件及繁衍發(fā)展過程中具有一定優(yōu)勢。
藻類可從自然界中大量獲取，并通過高效的光合作用產(chǎn)生燃料H2。以綠藻為例，其可在理想的生長環(huán)境中以極高的速率生產(chǎn)。
目前，主要的制取氫方式——電解水和富氫化合物催化重整，均須通過大量能量的輸入方可實現(xiàn)，就目前的生物制氫技術而言，其可通過微生物將生物質或太陽能轉換為H2。
藻類制取的H2主要基于光合作用的光對水分子的光解反應?？芍迫2的微生物通常包括來自真核生物與原核生物不同屬性的上百種物種。產(chǎn)氧光合作用生物體可利用水作為光合作用的質子與電子來源。在該類生物體中僅有綠藻和藍藻能具備持續(xù)生產(chǎn)H2的能量。
通過藻類生物質生產(chǎn)氫能過程通常包括2類：熱化學過程和生物過程。熱化學過程通常有4種：燃燒、高溫分解、液化和氣化。生物過程通常有5種：直接生物光解、間接生物光解、生物水氣轉換反應、光發(fā)酵和暗發(fā)酵。采用藻類制氫的技術主要為直接生物光解及間接生物光解2類。
直接生物光解技術
直接生物光解以藻類將水分子直接分解為H2和O2的能力為基礎，通過水分解過程提取的質子和電子，被一種葉綠體氫化酶重新組合成氫分子，其純度可達到98%。依靠光合作用的綠藻和藍藻均為可持續(xù)制氫的起點。
將太陽能變?yōu)闅淠艿霓D化始于天線色素，例如葉綠素、類胡蘿卜素及藻膽體。包括綠藻在內的大多數(shù)產(chǎn)氫光合生物體中，捕光色素通常含有2個光系統(tǒng)——PSI及PSII。
但同時由于綠藻中可逆的氫化酶對O2高度敏感，酶的活性在片刻內會不可逆性地失活。因此，藻類養(yǎng)殖中通過水直接光解產(chǎn)生H2較難持續(xù)。
目前為止，氫化酶對一般光合作用產(chǎn)生O2的敏感現(xiàn)象，限制了綠藻在制氫系統(tǒng)應用的可能性?；瘜W和機械的方法均被應用于移除藻細胞光合作用中產(chǎn)生的O2。相關方法包括：
（1）添加O2清除劑；
（2）使用附加的還原劑；
（3）用惰性氣體凈化培養(yǎng)。
但是上述方法的技術弊端在于大規(guī)模應用成本過高，應用于生產(chǎn)系統(tǒng)的可能性較小。
間接生物光解技術
氫化酶對O2O2的敏感問題可通過分離水解反應等方式進行解決。目前，已經(jīng)開發(fā)了諸多不同的間接生物光解方法。
但在大多數(shù)的方法中，第一步是促進光合生物體大量生長，以獲得富含碳水化合物的物質，固定CO2，提供生物質并存儲碳水化合物；第二步通常為生物質發(fā)酵制氫，利用該類存儲物生產(chǎn)H2。
通常情況下，藻類會處于無硫的反應條件下，導致厭氧條件的產(chǎn)生，從而刺激H2的持續(xù)產(chǎn)生。但該過程不如直接生物光解反應的效率高。間接生物光解反應的4個步驟通常如下：
（1）光合作用生產(chǎn)生物質；
（2）生物質濃縮；
（3）藻細胞在有氧黑暗條件下發(fā)酵，每摩爾葡萄糖產(chǎn)出4molH2，伴隨產(chǎn)生2mol醋酸鹽；
（4）將2mol醋酸鹽單獨轉化為H2。
藻類工程
就目前而言，通過生物系統(tǒng)實現(xiàn)H2的產(chǎn)生和利用是能源研究領域中重要而長遠的目標。氫化酶通常存在于細菌和微藻中（包括藍藻和單細胞綠藻），其主要功能有：
（1）在非最佳反應條件下，提供替代電子源用以維持藻類生存；
（2）用作一種安全閥捕獲電子并用于阻止電子運輸鏈出現(xiàn)過度還原的風險。
氫化酶是一種類型獨特的酶，可對H2的合成與分解具有催化作用。該作用是通過復雜的大分子結構得以實現(xiàn)的。氫化酶是一種金屬酶，就其氧化-還原反應而言，對較多因素都反饋出敏感狀態(tài)而易于失活，包括O2、高溫、CO以及多種其他環(huán)境因素。
隨著近年來技術的發(fā)展，使得用生物化學法表征氫化酶成為可能，不需要控制氫化酶的內在機制，僅需通過生物體的異源表達。因此，通過生物探索，經(jīng)由異源表達的研究，目標基因的特性可以從遺傳學和生物學的角度得以識別。
此外，與生物能源相關的其他關鍵酶的編碼基因的天然豐度可被檢出，利用相似的研究方法可使其得以充分利用。
藻類制氫技術與可持續(xù)發(fā)展
1 可持續(xù)發(fā)展
可持續(xù)發(fā)展的概念盡管近年來廣為人知，但就廣義層面而言，可持續(xù)發(fā)展是出于解決持續(xù)增長的一系列環(huán)境問題和社會經(jīng)濟問題的有效方案?？沙掷m(xù)發(fā)展意味著從環(huán)境影響和能源的高效利用的觀點出發(fā)，并使其轉化為更高效的技術。
新型氫燃料電池技術比傳統(tǒng)能源技術更為清潔高效，被認為是理想的未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的支柱之一。通過藻類制氫技術，使得在未來氫能的大規(guī)?？沙掷m(xù)生產(chǎn)具有一定可實現(xiàn)的潛力。
H2以其無污染的特性有希望成為一類可再生的未來理想能量載體。大量的細菌、藍細菌和藻類可以通過水、太陽能和一系列有機基質以生產(chǎn)H2。
H2被認為是未來最有前景的燃料之一。美國、歐盟和日本已經(jīng)著手建設H2燃料站；同時，汽車制造商已開始大量投資發(fā)展H2燃料電池汽車。
在已知的各類燃料中，氫能具有最高的比能量，并可通過多種方式實現(xiàn)生產(chǎn)。無論用于燃燒還是用于燃料電池，其副產(chǎn)物僅有純水，使其可成為具有廣闊前景的環(huán)保能源載體。
2 生命周期評價
生命周期評價（LCA）是一種通過考查自然環(huán)境、人類健康及資源使用等方面，評價產(chǎn)品全生命周期中對環(huán)境影響和資源使用的方式。
在LCA研究中，其所基于的指示因子可能是從環(huán)境影響、不同服務和商品的間接自然資源消耗方面比較替代能源路線的有效方式。
從總體能量平衡而言，使用H2作為車用內燃機的燃料似乎不如傳統(tǒng)汽油、柴油等燃料，但作為一類無碳燃料，如果可有效實現(xiàn)一系列技術難題，藻類制氫技術將具有重大意義。
但就目前而言，用LCA方式評價環(huán)境影響和效益的調查研究在世界范圍內鮮有相關報道。
通過LCA可對標不同的藻類制氫方法，同時，鑒別整個研究過程中的環(huán)境熱點。業(yè)內的不同研究人員分析的結果可發(fā)現(xiàn)其所選出的生態(tài)指標的價值，從而可選出最佳的參數(shù)用于LCA，以評價藻類制氫的工作效率。
3 氫能經(jīng)濟主要面臨的技術要點
目前，關于氫的經(jīng)濟發(fā)展方面主要存在如下方面的技術挑戰(zhàn)：
（1）H2的生產(chǎn)成本仍需不斷降低，以達到與化石能源相當?shù)乃剑?br />
（2）除了解決生產(chǎn)成本問題之外，仍需實現(xiàn)可持續(xù)的大量生產(chǎn)H2的技術方案；
（3）仍需從國家層面出發(fā)，發(fā)展安全有效的基礎建設，用于H2的運輸和分銷；
（4）發(fā)展可靠的氫能存儲系統(tǒng)，用于車載運輸和固定站點；
（5）大幅降低氫燃料電池系統(tǒng)的成本，并顯著提升其耐久性。
藻類制氫技術的應用前景展望
將藻類制氫技術作為未來可持續(xù)能源資源，需重點注意：
（1）設計具有高重復使用率的電池系統(tǒng)；
（2）充分利用生物質能；
（3）對制氫過程的靈活應用及改良；
（4）充分利用太陽能；
（5）建立有效的評估體系和標準。
就目前的世界能源局勢而言，藻類制氫技術具有一定的現(xiàn)實意義，因為其與全世界的能源供給問題息息相關。藻類生物制氫在積極改善能源供需平衡、減緩全球變暖、減輕環(huán)境污染方面具有顯著優(yōu)勢。
光合作用顯示藻類生物制氫會引領諸多領域的技術進步。目前，藻類制氫技術成本顯著高于化石能源，隨著技術進步可有效降低其成本，長期來看，藻類制氫有可能在未來的經(jīng)濟發(fā)展中扮演重要角色，并有一定潛力以解決未來的能源危機。
結語
氫能可被認為是基于可再生資源而制取的最清潔的能源載體。大多數(shù)的藻類和藍細菌在具備水和CO2作為原料的情況下，利用獨特種類的酶（如氫化酶）可以產(chǎn)生H2。
雖然近年來藻類制氫技術取得了一些技術進展，但仍有待于進一步發(fā)展。在大規(guī)模工業(yè)應用前，相關領域內仍有諸多技術難題需要解決，并需在世界各地得以廣泛提供。LCA將會在評估藻類制氫技術的可持續(xù)性以及制定相關的政策方面發(fā)揮積極作用。
引言
為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，找到充足的清潔能源供應為當前面臨的最大的技術挑戰(zhàn)之一，能源發(fā)展與全球局勢穩(wěn)定、經(jīng)濟繁榮、生活品質有著密切聯(lián)系。
就目前而言，日常生活中的大部分能量供給均由化石能源提供。不斷增長的能源需求會加速有限的化石能源的枯竭，作為世界主要的石油出口國之一的阿拉伯聯(lián)合酋長國，至2040年左右，其石油與天然氣將無法滿足日漸增長的需求。
化石燃料在燃燒過程中除了釋放溫室氣體CO2之外，其所產(chǎn)生的空氣污染物還會包括NOx、SOx、CO、固體顆粒物及具有揮發(fā)性的有機化合物，以此會對大氣造成嚴重污染。
化石燃料除了在日漸減少的同時，也增加了大氣環(huán)境中CO2的含量。在過去的數(shù)年中，針對未來可利用的能源開展了研究，重點為能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的替代能源，主要包括氫能、生物能、風能、核能、太陽能等。
氫能與藻類制氫技術
H2由于其可再生性、燃燒過程不會產(chǎn)生溫室氣體CO2，燃燒時能量密度較高，以及可通過燃料電池轉換為電能等優(yōu)勢，通常被視為一類充滿應用前景的清潔。
早在20世紀90年代末期，可持續(xù)產(chǎn)氫技術有了顯著突破，但目前其僅限于在實驗室內部的小規(guī)模生產(chǎn)，尚無法得以大規(guī)模商業(yè)化。
目前，自然界存在的光解水反應及氫化酶物質。O2對氫化酶的功用會產(chǎn)生一定的負面影響，同時會對氫化酶產(chǎn)生抑制影響。
藻類是最古老的生命形式之一，是植物中的一類，具有葉狀體結構及可再生細胞，同時，可利用葉綠素a作為主要的光合作用色素。藻類的組織構造主要可為細胞自身生長轉化能量，此類簡單的生產(chǎn)模式可使其在適應環(huán)境條件及繁衍發(fā)展過程中具有一定優(yōu)勢。
藻類可從自然界中大量獲取，并通過高效的光合作用產(chǎn)生燃料H2。以綠藻為例，其可在理想的生長環(huán)境中以極高的速率生產(chǎn)。
目前，主要的制取氫方式——電解水和富氫化合物催化重整，均須通過大量能量的輸入方可實現(xiàn)，就目前的生物制氫技術而言，其可通過微生物將生物質或太陽能轉換為H2。
藻類制取的H2主要基于光合作用的光對水分子的光解反應?？芍迫2的微生物通常包括來自真核生物與原核生物不同屬性的上百種物種。產(chǎn)氧光合作用生物體可利用水作為光合作用的質子與電子來源。在該類生物體中僅有綠藻和藍藻能具備持續(xù)生產(chǎn)H2的能量。
通過藻類生物質生產(chǎn)氫能過程通常包括2類：熱化學過程和生物過程。熱化學過程通常有4種：燃燒、高溫分解、液化和氣化。生物過程通常有5種：直接生物光解、間接生物光解、生物水氣轉換反應、光發(fā)酵和暗發(fā)酵。采用藻類制氫的技術主要為直接生物光解及間接生物光解2類。
直接生物光解技術
直接生物光解以藻類將水分子直接分解為H2和O2的能力為基礎，通過水分解過程提取的質子和電子，被一種葉綠體氫化酶重新組合成氫分子，其純度可達到98%。依靠光合作用的綠藻和藍藻均為可持續(xù)制氫的起點。
將太陽能變?yōu)闅淠艿霓D化始于天線色素，例如葉綠素、類胡蘿卜素及藻膽體。包括綠藻在內的大多數(shù)產(chǎn)氫光合生物體中，捕光色素通常含有2個光系統(tǒng)——PSI及PSII。
但同時由于綠藻中可逆的氫化酶對O2高度敏感，酶的活性在片刻內會不可逆性地失活。因此，藻類養(yǎng)殖中通過水直接光解產(chǎn)生H2較難持續(xù)。
目前為止，氫化酶對一般光合作用產(chǎn)生O2的敏感現(xiàn)象，限制了綠藻在制氫系統(tǒng)應用的可能性?；瘜W和機械的方法均被應用于移除藻細胞光合作用中產(chǎn)生的O2。相關方法包括：
（1）添加O2清除劑；
（2）使用附加的還原劑；
（3）用惰性氣體凈化培養(yǎng)。
但是上述方法的技術弊端在于大規(guī)模應用成本過高，應用于生產(chǎn)系統(tǒng)的可能性較小。
間接生物光解技術
氫化酶對O2O2的敏感問題可通過分離水解反應等方式進行解決。目前，已經(jīng)開發(fā)了諸多不同的間接生物光解方法。
但在大多數(shù)的方法中，第一步是促進光合生物體大量生長，以獲得富含碳水化合物的物質，固定CO2，提供生物質并存儲碳水化合物；第二步通常為生物質發(fā)酵制氫，利用該類存儲物生產(chǎn)H2。
通常情況下，藻類會處于無硫的反應條件下，導致厭氧條件的產(chǎn)生，從而刺激H2的持續(xù)產(chǎn)生。但該過程不如直接生物光解反應的效率高。間接生物光解反應的4個步驟通常如下：
（1）光合作用生產(chǎn)生物質；
（2）生物質濃縮；
（3）藻細胞在有氧黑暗條件下發(fā)酵，每摩爾葡萄糖產(chǎn)出4molH2，伴隨產(chǎn)生2mol醋酸鹽；
（4）將2mol醋酸鹽單獨轉化為H2。
藻類工程
就目前而言，通過生物系統(tǒng)實現(xiàn)H2的產(chǎn)生和利用是能源研究領域中重要而長遠的目標。氫化酶通常存在于細菌和微藻中（包括藍藻和單細胞綠藻），其主要功能有：
（1）在非最佳反應條件下，提供替代電子源用以維持藻類生存；
（2）用作一種安全閥捕獲電子并用于阻止電子運輸鏈出現(xiàn)過度還原的風險。
氫化酶是一種類型獨特的酶，可對H2的合成與分解具有催化作用。該作用是通過復雜的大分子結構得以實現(xiàn)的。氫化酶是一種金屬酶，就其氧化-還原反應而言，對較多因素都反饋出敏感狀態(tài)而易于失活，包括O2、高溫、CO以及多種其他環(huán)境因素。
隨著近年來技術的發(fā)展，使得用生物化學法表征氫化酶成為可能，不需要控制氫化酶的內在機制，僅需通過生物體的異源表達。因此，通過生物探索，經(jīng)由異源表達的研究，目標基因的特性可以從遺傳學和生物學的角度得以識別。
此外，與生物能源相關的其他關鍵酶的編碼基因的天然豐度可被檢出，利用相似的研究方法可使其得以充分利用。
藻類制氫技術與可持續(xù)發(fā)展
1 可持續(xù)發(fā)展
可持續(xù)發(fā)展的概念盡管近年來廣為人知，但就廣義層面而言，可持續(xù)發(fā)展是出于解決持續(xù)增長的一系列環(huán)境問題和社會經(jīng)濟問題的有效方案?？沙掷m(xù)發(fā)展意味著從環(huán)境影響和能源的高效利用的觀點出發(fā)，并使其轉化為更高效的技術。
新型氫燃料電池技術比傳統(tǒng)能源技術更為清潔高效，被認為是理想的未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的支柱之一。通過藻類制氫技術，使得在未來氫能的大規(guī)?？沙掷m(xù)生產(chǎn)具有一定可實現(xiàn)的潛力。
H2以其無污染的特性有希望成為一類可再生的未來理想能量載體。大量的細菌、藍細菌和藻類可以通過水、太陽能和一系列有機基質以生產(chǎn)H2。
H2被認為是未來最有前景的燃料之一。美國、歐盟和日本已經(jīng)著手建設H2燃料站；同時，汽車制造商已開始大量投資發(fā)展H2燃料電池汽車。
在已知的各類燃料中，氫能具有最高的比能量，并可通過多種方式實現(xiàn)生產(chǎn)。無論用于燃燒還是用于燃料電池，其副產(chǎn)物僅有純水，使其可成為具有廣闊前景的環(huán)保能源載體。
2 生命周期評價
生命周期評價（LCA）是一種通過考查自然環(huán)境、人類健康及資源使用等方面，評價產(chǎn)品全生命周期中對環(huán)境影響和資源使用的方式。
在LCA研究中，其所基于的指示因子可能是從環(huán)境影響、不同服務和商品的間接自然資源消耗方面比較替代能源路線的有效方式。
從總體能量平衡而言，使用H2作為車用內燃機的燃料似乎不如傳統(tǒng)汽油、柴油等燃料，但作為一類無碳燃料，如果可有效實現(xiàn)一系列技術難題，藻類制氫技術將具有重大意義。
但就目前而言，用LCA方式評價環(huán)境影響和效益的調查研究在世界范圍內鮮有相關報道。
通過LCA可對標不同的藻類制氫方法，同時，鑒別整個研究過程中的環(huán)境熱點。業(yè)內的不同研究人員分析的結果可發(fā)現(xiàn)其所選出的生態(tài)指標的價值，從而可選出最佳的參數(shù)用于LCA，以評價藻類制氫的工作效率。
3 氫能經(jīng)濟主要面臨的技術要點
目前，關于氫的經(jīng)濟發(fā)展方面主要存在如下方面的技術挑戰(zhàn)：
（1）H2的生產(chǎn)成本仍需不斷降低，以達到與化石能源相當?shù)乃剑?br />
（2）除了解決生產(chǎn)成本問題之外，仍需實現(xiàn)可持續(xù)的大量生產(chǎn)H2的技術方案；
（3）仍需從國家層面出發(fā)，發(fā)展安全有效的基礎建設，用于H2的運輸和分銷；
（4）發(fā)展可靠的氫能存儲系統(tǒng)，用于車載運輸和固定站點；
（5）大幅降低氫燃料電池系統(tǒng)的成本，并顯著提升其耐久性。
藻類制氫技術的應用前景展望
將藻類制氫技術作為未來可持續(xù)能源資源，需重點注意：
（1）設計具有高重復使用率的電池系統(tǒng)；
（2）充分利用生物質能；
（3）對制氫過程的靈活應用及改良；
（4）充分利用太陽能；
（5）建立有效的評估體系和標準。
就目前的世界能源局勢而言，藻類制氫技術具有一定的現(xiàn)實意義，因為其與全世界的能源供給問題息息相關。藻類生物制氫在積極改善能源供需平衡、減緩全球變暖、減輕環(huán)境污染方面具有顯著優(yōu)勢。
光合作用顯示藻類生物制氫會引領諸多領域的技術進步。目前，藻類制氫技術成本顯著高于化石能源，隨著技術進步可有效降低其成本，長期來看，藻類制氫有可能在未來的經(jīng)濟發(fā)展中扮演重要角色，并有一定潛力以解決未來的能源危機。
結語
氫能可被認為是基于可再生資源而制取的最清潔的能源載體。大多數(shù)的藻類和藍細菌在具備水和CO2作為原料的情況下，利用獨特種類的酶（如氫化酶）可以產(chǎn)生H2。
雖然近年來藻類制氫技術取得了一些技術進展，但仍有待于進一步發(fā)展。在大規(guī)模工業(yè)應用前，相關領域內仍有諸多技術難題需要解決，并需在世界各地得以廣泛提供。LCA將會在評估藻類制氫技術的可持續(xù)性以及制定相關的政策方面發(fā)揮積極作用。
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