Production of Hydrogen from Glucose by Rhodopseudomonas sphaeroides.

Rhodopseudomonas sphaeroides에 의한 수소 생산 -Glucose 및 유기산의 영향-

Rhodopseudomonas sphaeroides K7 and E15-1 produced hydrogen from glucose rapidly for the first 24 hrs of culture under the anaerobic and photosynthetic conditions and then ceased the hydrogen production because of the accumulation of organic acids such as acetic acid and formic acid in the culture broth, decreasing the pH to 4.2-4.5. Only 43% and 73% of glucose in the culture were consumed even after 6 days of incubation by R. sphaeroides K7 and E15-1, respectively. The hydrogen production and glucose consumption, however, were substantially increased when the pH of the culture was adjusted to 6.8-7.0: Hydrogen production continues even after 10 days of culture and glucose was consumed completely after 2.5 and 4.5 days by R. sphaeroides K7 and E15-1, respectively, Furthermore, the bacteriochlorophyll contents in R. sphaeroides K7 and E15-1 were increased by 44 and 9 folds and the cell concentrations by 10 and 2.5 folds, respectively, after 7 days of culture. R. sphaeroides K7 and E15-1 also produced hydrogen from acetic, lactic, butyric and malic acids under the anaerobic and photosynthetic conditions even though the amounts of hydrogen produced were lower than that from glucose. The results of this experiment indicate that under the anaerobic and synthetic conditions R. sphaeroides K7 and E15-1 might use the NADH oxidation mediated by ferredoxin and hydrogenase to evolve hydrogen from glucose for the first 24 hrs and then the organic acids produced were used as electron donners for the production of hydrogen in the nitrogen-limited condition.

R. sphaereides K7 및 E15-1은 혐기적 광합성조건에서 glucose를 탄소원으로 하여 배양초기 24시간 동안은 수소가스를 계속 생산하였으나, 그 이후에는 배양액에 축적된 acetic acid및 formic acid가 배양액의 pH를 4.2-4.8로 저하시켜 수소를 거의 생산하지 못하였다. 또한 배양 6일 후에도 R. sphaeroides K7 및 E15-1의 glucose의 이용율은 각각 43% 및 74%에 불과하였다. 그러나 배양액의 pH를 6.8-7.0으로 유지하면서 배양한 결과 R. sphaeroides K7및 E15-1 두 균주 모두의 수소생산율과 glucose의 이용율이 증가되어, 수소생산은 배양 10일까지도 계속 증가되었으며, glucose도 두 균주 각각 배양후 2.5일 및 4.5일 후에 완전 소비하였다. 뿐만 아니라 균체 배양액의 pH를 중성으로 유지하면서 R. sphaeroides K7 및 E15-1을 배양할 경우 균체의 표백현상이 제거되어 배양 7일 후에는 각각 균체의 bacteriochlorophyll 함량이 약 44배 및 9배 증가되었으며, 이때 균체의 농도는 각각 약 10배 및 2.4배 증가되었다. R. sphaeroides K7 및 E15-1은 혐기적 광합성조건에서 acetic, lactic, butyric 및 malic acid로 부터도, 비록 그 양이 glucose로 부터보다는 적으나, 수소를 생산하였다. 본 실험 결과로 미루어 혐기적 광합성 조건에서 R. sphaeroides K7 및 E15-1은 glucose로부터 수소를 생성할 때 NADH 산화 및 hydrogenase가 관여한 대사가 우선적으로 일어나고, 2차적으로는 이때 생성된 유기산을 전자 공여체로 광합성 작용에 의해 질소원이 존재하지 않을 때 nirogenase에 의해서 양성자(H$^{+}$)가 환원되어 수소(H$_2$)가 생성되는 것으로 생각된다.