综述：揭示生物氢作为替代能源的潜力：策略、挑战与未来展望

这篇综述系统阐述了生物氢（bio-H2 ）作为清洁能源载体的前沿进展，重点探讨了光解（photolysis）、发酵（DF/PF）和电化学（MEC/MFC）三大生产技术，分析了酶（氢化酶/固氮酶）、纳米材料（Ni/Fe）和生物反应器设计（CSTR/UASBR）对产氢效率的影响，并提出了混合系统（如DF-PF集成）和基因工程改造菌株等创新策略，为碳中和目标下的生物氢规模化应用提供了关键技术路线。

　　

生物氢生产的多元化技术路径

生物氢生产主要依赖三大技术路线：光生物分解、发酵法和电化学系统。光解过程通过蓝藻和微藻直接分解水分子产生H₂
和O₂
，但面临氧抑制氢化酶活性的瓶颈。暗发酵（DF）利用厌氧菌（如梭菌属）分解有机底物，最高可实现2 mol H₂
/mol葡萄糖的转化率，而光发酵（PF）依赖紫色非硫细菌（如红假单胞菌）将光能转化为氢能，两者联用可提升底物利用率至6.31 mol H₂
/mol碳水化合物。微生物电解池（MEC）通过外源电压驱动产电菌氧化有机物，在0.6V条件下实现0.53 m³
/m³
/d的产氢速率。

酶与纳米材料的增效机制

氢化酶（[Fe-Fe]/[Ni-Fe]型）和固氮酶是生物产氢的核心催化剂。研究发现，铁镍纳米颗粒（Fe₃
O₄
/NiO）作为辅因子可将DF产氢效率提升200%，而TiO₂
光催化剂使PF产氢量增加1.54倍。基因编辑技术通过修饰氢化酶活性位点（如HYDA A105I突变）使藻类产氢能力提高30倍，大气压室温等离子体（ARTP）诱变则使衣藻突变株产氢量提升5.2倍。

生物反应器设计的创新突破

连续搅拌釜反应器（CSTR）在HRT为8-14小时时能有效抑制甲烷菌活性，而上流式厌氧污泥床（UASBR）在2小时HRT下实现56.8 L/L-d的产氢速率。膜生物反应器（MBR）采用动态膜技术后，产氢率提升至60.5 L H₂
/L/d。最新研究显示，将DF与MEC耦合的混合系统使海带废弃物产氢量达438.7 mL/g TS，较单独工艺提高8倍。

经济性与环境效益的平衡

生命周期评估（LCA）表明，生物氢的碳足迹（4.11-7.56 kg CO₂
-eq/kg H₂
）显著低于蒸汽甲烷重整（11.9 kg）。菠萝废弃物两段发酵技术的氢成本为7.68美元/kg，而规模化（500吨/天）处理污水污泥可降至5.4欧元/kg。值得注意的是，太阳能驱动的DF工艺可实现负碳排放（-1.12×10⁴
kg CO₂
-eq）。

规模化应用的挑战与对策

当前限制因素包括：光解工艺的氧敏感性（需惰性气体吹扫）、DF的酸抑制（最佳pH 5.2-6.0）、以及MEC的甲烷竞争（可通过0.7V电压抑制）。未来需开发耐氧菌株、优化反应器传质（如微流体系统），并建立液氢供应链（-253°C储存）。研究预测，通过模块化生物反应器堆叠和政策支持，2030年生物氢成本有望降至2美元/kg，成为交通和电力领域脱碳的关键载体。