光光谱调控对光合细菌生物制氢的影响机制及多相产氢模型优化研究

本研究针对紫色非硫细菌(PNS)光发酵制氢过程中光谱利用效率低的问题，通过系统比较Cool White、Infrared和Targeted-Spectrum三种LED光源对Rhodobacter capsulatus/Rhodospirillum rubrum共培养体系的影响，首次证实可见光（450-590 nm）通过激发类胡萝卜素可独立驱动产氢（5.76±0.14 mol H2/mol乳糖），并在2.1 L平板反应器中将产率提升至26.93 mmol H2/(L·day)（4.49% LCE）。创新性采用双逻辑和修正Gompertz模型解析多相产氢动力学，为光生物制氢系统优化提供了新范式。

　　

随着全球气候变暖加剧，开发绿色氢能成为能源转型的关键路径。传统制氢技术依赖化石燃料且碳排放高，而利用紫色非硫细菌（PNS）的光发酵制氢技术因其环境友好特性备受关注。然而，该技术面临核心瓶颈：细菌光合色素（如细菌叶绿素a/BChl ɑ和类胡萝卜素）对不同波长光的响应机制不明，导致光能转化效率低下。更棘手的是，现有研究对可见光（特别是红蓝光段）与红外光的协同作用存在争议，且缺乏规模化反应器中的过程优化策略。巴西研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究，通过创新性设计多光谱LED实验体系，首次揭示了类胡萝卜素独立驱动产氢的分子机制，并建立了可预测多相产氢动态的数学模型。

研究采用Rhodobacter capsulatus DSM 1710和Rhodospirillum rubrum DSM 467共培养体系，以乳品工业副产物乳糖渗透液为底物。关键技术包括：1）设计Cool White（450/550/590 nm）、Infrared（850 nm）和Targeted-Spectrum（450 nm）三组LED光源；2）构建50 mL微反应器和2.1 L搅拌式平板反应器系统；3）应用双逻辑和修正Gompertz模型解析产氢动力学；4）通过比生长速率（SOLR）和光转化效率（LCE）评估系统性能。

【Effect of light sources on biohydrogen production】
小规模实验显示，Cool White LED产氢速率达8.23 mmol H₂/(L·day)，显著高于Infrared LED（P<0.05）。突破性发现是Targeted-Spectrum LED（仅激发类胡萝卜素）仍产生5.76±0.14 mol H₂/mol乳糖，证明类胡萝卜素可直接参与光能捕获。红外光单独使用时，因细菌沉降导致光穿透性差，产效降低37%。

【Scaling-up in stirred flat-plate reactor】
将Cool White LED应用于2.1 L反应器后，产氢速率提升至18.64 mmol H₂/(L·day)（LCE 3.26%）。通过将光照强度增至5,000 lx并半换培养基，产率进一步跃升至26.93 mmol H₂/(L·day)（LCE 4.49%），同时维持最佳SOLR（~4.8 g乳糖/g_VS·h）。

【Multiphasic modeling】
双逻辑模型精准拟合产氢曲线（R²>0.99），揭示系统存在两个产氢相位：前期（0-72 h）由类胡萝卜素主导，后期（72-192 h）转为BChl ɑ-Qy带驱动。修正Gompertz模型则量化了光强与滞后期的负相关性（P<0.01）。

该研究首次阐明可见光通过类胡萝卜素途径可绕过BChl ɑ直接驱动产氢，颠覆了传统红外光依赖理论。建立的规模化反应器参数（5,000 lx+半换培养基）使LCE提升38%，为工业放大提供关键数据。所建动力学模型能预测复杂光发酵系统的多相行为，指导过程优化。这项工作从分子机制到工程实践全面推进了光生物制氢技术的发展，对实现碳中和目标具有重要战略意义。