利用实验室合成气与乙酸为底物评估嗜热地理芽孢杆菌DSM 6285产氢性能的工艺优化与机制分析

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Evaluation of lab-defined syngas and acetate as substrates for H2 production with Parageobacillus thermoglucosidasius DSM 6285

本研究针对化石燃料枯竭与CO2排放问题，探讨了嗜热地理芽孢杆菌（Parageobacillus thermoglucosidasius）利用合成气进行水煤气变换反应（WGS）产氢的工艺优化。通过系统评估不同CO（10%-50%）与H2（5%-20%）比例的合成气组分，发现最高产氢速率达13.65 L H2L-1d-1（30% CO条件），且H2的存在未抑制反应。创新性采用乙酸替代葡萄糖作为碳源，使电子选择性达91.4%，为工业废气资源化提供了技术支撑。

　　

随着化石燃料储量的日益枯竭及其燃烧导致的大气CO₂浓度持续攀升，开发可持续的替代能源已成为全球能源战略的迫切需求。在众多新能源选项中，氢能因其清洁燃烧特性备受关注。目前制氢技术主要包括电解水、热裂解及光解水等物理化学方法，而生物制氢技术，特别是利用微生物转化合成气（主要成分为CO、H₂、CO₂）的工艺，展现出独特优势。其中，嗜热地理芽孢杆菌（Parageobacillus thermoglucosidasius）作为一种兼性厌氧的羧基营养菌，能够通过水煤气变换反应（Water-Gas Shift, WGS）将CO和H₂O转化为H₂和CO₂，且对氧气耐受性较强，使其成为处理含氧工业废气的理想候选菌株。

然而，合成气组分的多变性（H₂占5-40%，CO占7-40%）及底物抑制效应仍是规模化应用的瓶颈。此外，传统培养基中葡萄糖作为碳源的成本问题也制约了工艺经济性。为此，德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究团队在《Applied Microbiology and Biotechnology》发表最新研究，系统评估了不同合成气组分及乙酸替代葡萄糖对嗜热地理芽孢杆菌DSM 6285产氢性能的影响。

研究团队采用2.5 L生物反应器开展连续流发酵实验，通过质谱流量控制器精确控制气体组分（CO系列：10%-50% CO；H₂系列：5%-20% H₂），在线微气相色谱（Micro GC）监测气体代谢，高效液相色谱（HPLC）分析有机酸代谢动力学，并创新性地设计两阶段发酵策略（好氧/厌氧切换）验证乙酸作为碳源的可行性。

Effects of different CO concentrations on H₂production

通过对比10%-50% CO条件发现，30% CO时产氢速率（HPR）最高达13.65 L H₂L^-1d^-1，而50% CO虽未抑制产氢，但导致菌体生长延迟（OD₆₀₀仅0.4）。电子平衡分析显示，88-90%的电子从CO流向H₂，其余主要转化为乙酸和甲酸盐。

葡萄糖在发酵首日即被完全消耗，乙酸在第2日积累至12.4 mM后逐渐被菌体利用，表明碳流分配与CO浓度密切相关。

Effects of increased H₂percentages in the gas mixture on H₂production

当H₂比例升至20%时，产氢速率仍保持12-13 L H₂L^-1d^-1，证明产物积累未引发反馈抑制。电子选择性分析进一步显示，H₂比例变化未改变电子分配格局，但高H₂组（20%）的乙酸产量增至17 mM。

菌体生长曲线表明，各H₂比例下最终生物量趋于一致（OD₆₀₀≈1.2），但20% H₂组延迟期更长，提示细胞需适应高H₂环境。

Acetate as substrate for P. thermoglucosidasius

以乙酸替代葡萄糖后，产氢启动延迟至1.5天，但峰值HPR反超葡萄糖组（0.167 vs 0.144 mmol min^-1）。代谢谱分析显示，丁酸成为主要副产物（0.2 mmol d^-1），而甲酸、乳酸等有机酸产量显著降低。

电子选择性在乙酸发酵中达91.4%，碳回收率超80%，且CO₂/CO消耗比接近1.0，证实乙酸可高效驱动WGS反应。

本研究明确揭示了嗜热地理芽孢杆菌对宽范围合成气组分的适应性：CO浓度升至50%仍可维持产氢，而H₂积累至20%未引发抑制，这为处理高CO工业废气（如钢铁厂尾气）提供了理论依据。值得注意的是，菌体在50% CO下的生长抑制暗示其代谢负载存在上限，可能与CO溶解度限制（亨利常数9.7×10^-6mol/m³Pa）相关。乙酸作为碳源的成功应用，不仅将比产氢率提升至2303 mmol H₂g CDW^-1，更实现了有机废物（如气化废液）的资源化。未来需通过动态进料策略与菌株定向进化进一步优化工艺，推动生物制氢技术的工业化进程。