利用生物技术方法促进微藻系统可持续生物氢生产

《International Journal of Hydrogen Energy》：Harnessing biotechnological approaches to facilitate sustainable biohydrogen production from microalgal systems

　　

生物氢（biohydrogen）具有替代化石燃料和减少温室气体排放的巨大潜力。微藻已成为基于化石燃料能源的一种有前景的可持续替代方案，因其碳中性特性而备受重视，可在产生可再生燃料的同时协同固定CO₂。然而，从微藻系统中以商业可行的方式大规模生产氢气仍不切实际，因此有必要改进策略以克服现有障碍。因此，本综述旨在阐述微生物系统中的生物氢生物发生机制，并重点介绍基于藻类的生物氢生物合成途径。研究人员还强调了将木质纤维素生物质、食物垃圾、废水和厌氧消化物等废物与微藻整合作为一种成本效益策略的重要性，该策略能够产生富含碳水化合物的生物质，更有利于生物氢生产。本综述举例说明了同步去除营养物质、实现废物修复和生物氢生产的策略。此外，还重点介绍了生物技术策略以及优化操作参数以提高生物氢产量的必要性。本综述聚焦于生物制氢方法及其在共培养方面的进展，以及关键挑战和经济可行性。总之，本综述为制定策略以赋能微藻作为绿色细胞工厂实现生物氢的可持续生产提供了见解。

**论文解读：利用生物技术方法促进微藻系统可持续生物氢生产**

**研究背景、问题与意义**

当前全球经济高度依赖化石燃料，但其不可再生性及燃烧产生的污染气体（如CO、CO₂等）引发了能源危机与环境挑战。氢能作为一种清洁、高效的可持续能源载体，具有单位质量能量密度高、无污染排放等优势，被视为未来能源转型的关键。然而，传统制氢方法（如天然气蒸汽重整SMR）依赖化石燃料，排放温室气体；而电解水制氢虽绿色但成本高昂（$3.50–$6.00/kg H₂），且依赖贵金属催化剂。生物制氢（biohydrogen）利用微生物代谢过程，在常温常压下从可再生原料（如污泥、厨余、木质纤维素生物质、藻类生物质等）中产氢，具有碳中性、可持续的优势。微藻系统作为生物制氢的潜力平台，因其碳固定能力、高生长速率及可合成富碳水化合物生物质而备受关注。但目前微藻生物氢的大规模商业化仍面临技术、经济与基础设施瓶颈（如产氢效率低、底物成本高、菌株稳定性不足等）。为此，该综述旨在总结微藻生物氢的生物发生机制、废物资源化利用策略、生物技术优化方法及共培养体系，以推动微藻作为绿色细胞工厂实现可持续生物氢生产。论文发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上。

**研究采用的关键技术方法**

研究人员主要采用了以下关键技术方法：（1）生物制氢机制分析：包括直接/间接生物光解、光发酵、暗发酵及整合发酵途径；（2）胁迫诱导增强策略：施加营养剥夺、高光强、温度冲击、盐度、金属离子暴露或超声等物理化学胁迫以提升微藻产氢量；（3）废物资源利用：利用木质纤维素生物质、食品垃圾、废水及厌氧消化物作为低成本底物，通过预处理（如水解、酶解）生成富含碳水化合物的微藻生物质；（4）共培养与微生物协同：建立细菌-微藻共培养体系，利用细菌产生的CO₂促进藻类碳固定，形成协同代谢网络；（5）操作参数优化：调控光强、温度、pH、水力停留时间等条件以提高产氢效率。

**研究结果**

**Biological mechanisms involved in biohydrogen production**
研究人员综述了不同微生物（光合细菌、暗发酵细菌、微藻、真菌、古菌）通过不同生物途径（直接/间接生物光解、光发酵、暗发酵、整合发酵）释放氢气的机制。研究表明，微藻通过固氮酶或氢酶催化产氢，其中氢酶（如FeFe-氢酶）活性受O₂敏感抑制，需通过厌氧条件或代谢工程规避。

**Stress-induced enhancement of microalgal biohydrogen production**
通过文献总结，研究人员发现施加物理胁迫（如高光强、温度冲击、超声）和化学胁迫（如营养剥夺、盐度、金属离子）可显著提升总氢气产量。例如，硫元素剥夺可抑制光合系统II（PSII）的O₂释放，降低O₂对氢酶的抑制，从而增强产氢。高光强则通过增加还原力（NADPH）供给促进氢酶活性。

**Utilization of waste resources in microalgal biohydrogen systems**
研究人员指出，利用农业/食品固体废物（富含纤维素）及酿造/乳品废水（富含有机碳）作为低成本的微藻培养基，可显著降低生物氢生产成本。通过预处理（如酸解、酶解）将复杂多糖转化为可发酵糖，再经厌氧发酵或光发酵产氢，同时实现废物处理与资源回收。

**Microalgae–residual waste interactions and bioremediation**
研究人员归纳了发酵残余物（如挥发性脂肪酸VFA、丙酸、乙酸、正丁酸）对微藻的双重作用：一方面，这些有机酸可作为微藻的碳源，在光合作用下被同化；另一方面，微藻可高效吸收残余液中的氮、磷等营养物质，实现废水修复（bioremediation）与生物质生产耦合。

**Co-culture and microbial synergy strategies**
通过对比单独培养与共培养系统，研究人员发现细菌-微藻共培养（如光合细菌与绿藻）可借助细菌产CO₂供藻类固定，而藻类释放的O₂被细菌消耗以维持厌氧条件，从而消解O₂对氢酶的抑制。此外，暗发酵细菌与光发酵细菌的共培养可提高基质利用效率，实现连续产氢。

**Challenges, technological bottlenecks, and future perspectives in microalgal biohydrogen production**
研究人员分析了氢气储存（需高压罐或低温液化）、菌株稳定性、光能传递效率、反应器设计等瓶颈。未来需通过代谢工程（如过表达氢酶、阻断竞争途径）、合成生物学工具（如CRISPR）及过程优化（如光生物反应器设计）来突破限制。

**结论（Conclusion）翻译**
基于微藻的生物氢生产提供了一种可持续且环境友好的方法以满足未来能源需求。与通过化石燃料的传统制氢相比，生物制氢方法具有显著优势。在解析产氢的代谢与光合途径方面已取得实质性进展。研究主要集中于靶向代谢干预、工程化藻株以增强产氢及耐受性、废物共处理及共培养体系。通过整合先进的生物技术工具与过程优化，微藻生物氢有望成为化石燃料的可行替代方案。未来需进一步降低生产成本、提升产氢速率并解决储运难题以推动其商业化应用。