厭氧產氫微生物

產 氫 微 生 物 可 分 為 二 大 類 ， 一 為 光 合 產 氫 微 生 物 （ photosynthetic microorganisms ），另一類為醱酵產氫微生物（fermentative hydrogen-producing microorganisms），後者具有較佳的生長速率，進行生物產氫的反應速率較前者 為快，且不需要光能，因此較具優勢（Das & Veziroglu, 2001）。生物產氫的程序 可區分為〆

（一）藻類及藍綠細菌以光合作用分解水，作為電子供給，進行產氫。

（二）光合細菌以無氧光合作用分解有機物作為電子供給者，進行產氫。

（三）發酵細菌以有機物進行發酵產氫。

（四）結合光合及發酵細菌進行產氫（Debarata & Nejat Veziroglu,2001）。而光 合細菌及發酵產氫均要在厭氧條件下才能進行。

一、厭氧產氫微生物

至 目 前 為 止 ， 許 多 研 究 發 現 最 適 合 產 氫 的 菌 屬 包 括 梭 狀 芽 孢 桿 菌 屬

（Clostridium）及腸桿菌屬（Enterobacter）。梭狀芽孢桿菌屬於目前產氫能力較 佳之菌種（Gottschalk, 1986），適合生長在厭氧、中溫及中性pH 值的環境（Minton and Clarke, 1989），但在不適合生長的環境中會產生內生孢子而進入休眠狀態，

這是具孢子微生物的特性，可藉此抵抗惡劣的生存環境。一般而言，各種產孢菌 在不同的生長環境條件會形成內生孢子，這些生長環境條件，包括〆pH 值、溫 度、營養成分與供氧狀況等。因此，由過去許多的研究中發現，有很多微生物均 具有產氫能力，如表2-6（Das & Veziro lu, 2001）。但因各產氫菌生理特性的不

同，其產氫能力也不同，對於環境的要求亦有所差異（林秋裕、林明正、陳晉照，

1999）。

產 氫 菌 主 要 分 為 厭 氧 醱 酵 產 氫 菌 （ Fermentative hydrogen producing microorganisms）及光合產氫菌（Photosynthetic microorganisms）二大類（Yokoi et

al.， 1995）。光合作用微生物部份包括〆紫色非硫菌、藻類等。醱酵產氫微生

物又依其對氧需求性分為兼性厭氧菌（如Bacillus、Enterobacter aerogenes等），

及絕對厭氧菌（如Clostridium 等）。各方資料（Yokoi, 1997々Odom, 1983）均顯 示〆目前研究以紫色非硫菌產氫效率甚佳，但需要照光及靜置的環境中生長々而 醱酵產氫微生物中以Clostridium 菌屬為主，此菌屬大部分都可以產氫，其中以 Clostridium butyricum 菌 種 產 氫 更 是 可 觀 ， 醱 酵 產 物 為 butyrate 、 butanol 及 acetone。表2-7為各種不同產氫菌進行厭氧醱酵之產物（Gottschalk, 1986）。

目前文獻中有關厭氧產氫純菌的研究是以Enterobacter 及Clostridium 兩屬 微生物為主要的研究菌群。Entrobacter 為革蘭氏陰性（gram negative）、兼性厭 氧菌（facultative anaerobe），主要醱酵產物為氫氣、二氧化碳及揮發酸。而 Clostridium 為革蘭氏陽式（gram positive）、絕對厭氧菌（obligately anaerobe），

且會形成內生孢子（endo spore），主要發酵生成物為氫氣、二氧化碳、揮發酸及 醇類。

Clostridium 菌屬的產氫能力近年來已逐漸受到重視，主要是因為針對混合菌 統產氫程序的菌種鑑定結果發現主要的菌群是以Clostridium 為主（Ueno et al., 2001; Fang et al., 2002a）。Yokoi 等人（1998）指出Clostridium 屬菌單位基質的 產氫率是Enterobacter 的二倍（2 mol H₂/mol-hexose），因此在植種菌中加入 clostridia 是有利於產氫的，但缺點為極易受氧氣的抑制，且孢子萌發時有特殊的 環境及營養需求。

表 2-6 厭氧產氫微生物之種類

分類 微生物名稱

Green algae (綠藻)

Scenedesmus obliquus Chlamydomonas reinhardii Chlamydomonas movewusii Cynobacteria Heterocystous

(藍綠菌)

Anabaena azollae Anabaena CA

Anabaena variabilis Anabaena cylindrical Nostoc muscorum Nostoc spongiaeforme Westiellopsis prolifica Nonheterocystous Plectonema boryanum

Oscillotoria Miami BG7 Oscillotoria limnetica Synechococcus sp.

Alphanothece halophytico Mastidocladus

Phormidium valderianum Photosynthetic bacteria

(厭氧光合細菌)

Rhodobater sphaeroides Rhodobater capsulatus Rhodobater sulidophilus

Rhodopseudomonas sphaeroides Rhodopseudomonas palustris Rhodopseudomonas capsulata Rhodospirillum rebnum

Chromatium sp.

Miami PSB 1071 Chlorobium limicola Chloroflexu aurantiacus Thiocapsa roseopersicina Halobacterium halobium Fermentative bacteria

(厭氧醱酵菌)

Enterobacter aerogenes Enterobacter cloacae Clostridium butyricum Clostridium pasteurianum Desulfovibrio vulgaris Magashaera elsdenii Citrobacter intermedius Escherichia coli

資料來源〆Das & Veziroglu,（2001）

表 2-7 各種不同菌種進行醱酵代謝之產物

醱酵種類 菌種 產氫量及產物

乙醇 Zymomonas anaerobica 少量氫氣 Sarcina ventriculi 醋酸

Erwinia amylovora 乳酸

丁酸(酯) Clostrium 大量的氫氣 丁醇 Clostridium acetobutylicum 丁酸(酯) 丙酮 Clostridium beijerinckii 己酸

Clostridium tetanomorphum Clostridium aurantibutylicum Clostridium kluyveri

Butyrivibrio Eubacterium Fusobacterium

混酸 Escherichia coli 中量的氫氣

丁二醇 Enterbacter aerogenes 資料來源〆Gottschalk,（1986）

Clostridum 除具有不錯的產氫能力外，還有一項有利於菌種篩選的功能，就 是會形成內生孢子，因此，在厭氧甲烷化系統中，提供一個較為惡劣的環境，如 加入強酸、強鹼、抑制劑或加熱煮沸等方式以殺死甲烷菌並保留已經形成孢子的 Clostridum ，藉此達到菌種篩選之目的，以利於進行之後的厭氧生物產氫程序。