光催化协同纳米TiO2/Fe3O4调控暗发酵室温生物制氢的代谢机制与效能提升

本研究创新性地提出光照射与纳米TiO2/Fe3O4协同调控策略，突破暗发酵（DF）需高温条件的限制，在室温下实现1.56 mol-H2/mol-glucose的产氢效率，通过微生物群落分析（PICRUSt2）揭示其通过ATP酶激活和铁氧还蛋白-氢化酶途径（Fd-Hydrogenase）调控代谢通路的机制，为绿色氢能开发提供新思路。

　　

Highlight

光与纳米材料的协同效应：本研究首次揭示光照射与氮掺杂纳米TiO₂(N-TiO₂)、Fe₃O₄(N-Fe₃O₄)的协同作用可显著提升室温暗发酵(DF)产氢效率，批次试验产氢量达1.56 mol-H₂/mol-glucose，媲美中温发酵系统。

Biohydrogen production performances

生物制氢效能：如图2所示，光-N-TiO₂-N-Fe₃O₄三联调控使总产气量提升35.5 mL（p<0.05），氢气浓度峰值达64.2%。连续流上流式填充床反应器(UPBR)中，优势菌群从梭菌属(Clostridium sensu stricto_12)转变为产己酸菌(Caproiciproducens)，占比60.14%，伴随乙酸产量激增56.5%，证实代谢通路向产氢优势路径偏移。

Prospects

应用前景：该协同策略为DF系统优化提供新范式，通过降低温度控制能耗（传统需35-70℃），推动生物制氢技术规模化应用，助力实现"双碳"目标。

Conclusion

结论：光-N-TiO₂-N-Fe₃O₄协同作用通过双重机制调控DF：①N-TiO₂光激发提升ATP酶活性；②N-Fe₃O₄促进铁氧还蛋白(Fd)与氢化酶在丙酮酸→乙酰辅酶A转化中的电子传递，使室温产氢效率达嗜温发酵的53.98-104.70%。