综述：生物制氢的生物途径：一种清洁无碳的燃料

这篇综述系统阐述了生物制氢（bio-H2）的四大途径：直接/间接生物光解（bio-photolysis）、光发酵（photo-fermentation）和暗发酵（dark fermentation），重点分析了产氢微生物（如绿藻、蓝细菌、梭菌属等）的代谢机制及关键酶（氢化酶hydrogenase/固氮酶nitrogenase）的作用，为开发清洁能源提供了重要理论依据。

　　

生物制氢的绿色革命：四大途径全解析

1 引言

化石燃料枯竭与环境污染的双重压力下，氢能（H₂）因其零碳排放特性成为最具潜力的替代能源。韩国政府计划到205年将清洁氢能占比提升至100%，全球氢能市场规模预计2030年将达4106亿美元。生物制氢技术通过微生物将水、有机废物和生物质转化为氢能，已发展出四代技术路线：第一代（粮食作物）、第二代（非粮作物/废弃物）、第三代（微生物）和第四代（基因工程微生物）。

2 生物光解

2.1 直接生物光解

绿藻（如莱茵衣藻Chlamydomonas reinhardtii）通过光合系统II（PSII）分解水产生H₂和O₂，但氢化酶对氧极度敏感导致产氢效率仅1.5%。关键反应：2H₂O + 光能 → 2H₂ + O₂。

2.2 间接生物光解

蓝细菌（如鱼腥藻Anabaena cylindrica）通过异形胞将光合作用与产氢过程空间分离。第一阶段固定CO₂合成碳水化合物（C₆H₁₂O₆），第二阶段在缺氮条件下通过固氮酶产氢，理论效率可达10%-15%。

3 光发酵

紫色非硫细菌（如深红红螺菌Rhodospirillum rubrum）利用光能分解有机酸产氢。以乙酸为底物时理论产氢量可达12 mol H₂/mol葡萄糖。关键酶固氮酶需消耗4ATP/H₂，其活性受NH₄⁺强烈抑制。最新研究通过删除吸氢酶（Hup）基因使产氢效率提升75%。

4 暗发酵

严格厌氧菌（如丁酸梭菌Clostridium butyricum）通过EMP途径将葡萄糖转化为H₂和有机酸。乙酸型发酵可产生4 mol H₂/mol葡萄糖（理论值33%），实际野生型菌株仅达1-2 mol。关键酶[Fe-Fe]氢化酶催化效率高但氧敏感性极强，而[Ni-Fe]氢化酶可构建质子动力势（PMF）驱动ATP合成。

5 氢化酶与固氮酶

[Fe-Fe]氢化酶（催化产氢）和[Ni-Fe]氢化酶（催化耗氢）构成微生物氢代谢核心。固氮酶分为钼铁（Mo）、钒铁（V）和铁铁（Fe）三种类型，在氮固定时必然伴随H₂副产物生成，但需消耗16ATP/N₂，能效较低。

6 提升策略

6.1 酶工程

通过定向进化改造氢化酶氧耐受性，如梅格斯氏菌（Megasphaera elsdenii）的截短型MeH-HydA展现出特殊抗氧能力。

6.2 代谢工程

删除乳酸合成途径、异源表达氢化酶基因、优化碳源利用效率，使Thermoanaerobacter tengcongensis产氢量达4 mol/mol葡萄糖。

6.3 工艺优化

设计光生物反应器（如螺旋管式反应器）、控制pH（6.0-7.0）和温度（35-70℃），结合膜分离技术提升氢气回收率。

7 结论

暗发酵因产氢速率快、底物适应性强最具商业化潜力，而光发酵与暗发酵耦合系统可能突破理论产氢极限。未来需通过合成生物学改造微生物代谢网络，并结合智能生物反应器设计，实现生物制氢技术的规模化应用。