不同碳源下光谱特性对光合细菌产氢代谢途径的调控机制及优化策略研究

为解决传统制氢方法依赖化石燃料、效率低下的问题，研究人员开展LED光谱调控光合细菌(R. capsulatus和R. rubrum)利用葡萄糖/甘油产氢的研究。发现CW+NIR组合光促进葡萄糖代谢的丁酸途径，使R. rubrum产氢率达9.46 mol H2/mol葡萄糖；而NIR单独照射时甘油转化效率最优(3.14 mol H2/mol甘油)。该研究为光生物制氢的工业化应用提供关键参数优化依据。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳燃料备受关注，但传统蒸汽重整制氢存在高碳排放瓶颈。光合细菌利用太阳能将有机物转化为氢气，理论上堪称完美解决方案，然而实际应用中却面临两大"卡脖子"难题：光源能量转化效率低下，以及不同碳源代谢路径的调控机制不明。这些瓶颈严重制约着光生物制氢技术的工业化进程。

中国某研究团队在《Fuel》发表的研究成果为破解这些难题带来曙光。研究人员创新性地采用模块化LED光源系统，首次系统揭示了光谱特性与碳源代谢的协同调控规律。通过精密控制冷白光(CW, 6500K)和近红外光(NIR, 850nm)的组合方式，结合高效液相色谱(HPLC)和气相色谱(GC)实时监测技术，在50mL光生物反应器中构建了多参数分析平台。

光谱-碳源协同效应方面，研究发现CW+NIR组合光对葡萄糖代谢产生显著协同作用。在R. rubrum体系中，这种光照条件激活了丁酸代谢途径(Equation (4))，推动产氢率飙升至39.67 mmol H₂/(L·day)，较单一光源提升2.3倍，光转化效率(LCE)达1.31%。关键发现是：组合光促使葡萄糖通过C₆H₁₂O₆→CH₃CH₂CH₂COOH+2H₂+2CO₂路径转化，而单独NIR照射则会诱导乳酸途径(Equation (1))，导致产氢效率骤降36倍。

菌株-底物特异性研究显示，R. rubrum在甘油转化中展现独特优势。NIR单独照射时，该菌株通过优化代谢流分配，使甘油经C₃H₈O₃+H₂O→CH₃COOH+CO₂+3H₂路径(Equation (5))转化，产氢量达5.71 mmol H₂/(L·day)，较CW光源提升3倍。值得注意的是，组合光在甘油体系中反而引发丙酸积累(0.41 g/L)，证实光谱效应存在底物依赖性。

代谢调控机制层面，研究首次阐明有机酸谱可作为过程监控的生物标记物。丁酸浓度与产氢量呈强正相关(R²>0.92)，而乳酸积累(>2.3 g/L)则预示系统失衡。在葡萄糖体系中，丁酸浓度每增加1 g/L，R. rubrum的产氢效率提升47%，这一发现为过程控制提供了量化指标。

该研究突破性地构建了"光谱-碳源-菌株"三维优化模型，将理论产氢率提升至79% (9.46/12 mol H₂/mol葡萄糖)。相比传统卤素光源，LED系统能耗降低60%的同时，光转化效率提高85%。研究特别指出，850nm NIR与细菌叶绿素吸收峰(800-900nm)的精准匹配是增效关键，而可见光区(450-600nm)的补充则通过类胡萝卜素辅助能量传递，完善了光合作用的全光谱利用。

这些发现为第二代光生物反应器设计提供了革命性思路：针对葡萄糖底物应采用CW+NIR复合光源，而甘油转化则需专用NIR照射模块。研究者强调，未来需结合代谢工程手段优化菌株的甘油激酶活性，并开发动态光谱调控系统以适应不同代谢阶段需求。这项研究不仅解决了光生物制氢的核心技术瓶颈，更为生物能源领域的"碳中和"解决方案提供了可产业化的技术路径。