综述：提高微藻基生物氢生产的创新策略

本综述系统探讨了利用微藻作为可再生原料进行生物氢（bio-H2）生产的最新进展，重点介绍了优化培养技术、预处理策略及集成生物电化学系统（MECs）等创新方法。文章深入分析了暗发酵（Dark Fermentation）的挑战（如低产氢量和代谢抑制），并提出了包括基因工程、微生物固定化、纳米技术及混合系统在内的多维度增效策略，为推动可持续氢经济转型提供了关键见解。

　　

微藻作为生物氢生产的可再生原料

微藻因其高生长速率、碳固定能力、低营养需求及最小土地占用等优势，被视为可持续生物氢（bio-H₂）生产的理想原料。然而，低产氢量和高生产成本仍是其商业化应用的主要障碍。近年来，研究聚焦于通过优化培养技术、预处理方法和集成生物电化学系统（如微生物电解池，MECs）来提高氢产量。本综述系统总结了当前微藻基生物氢生产的研究进展，重点探讨了新型预处理方法、基因工程、微生物固定化及混合发酵系统等创新策略。

微藻种类作为生物氢生产的原料

单一培养

单一微藻培养（如杜氏藻Dunaliella primolecta和D. tertiolecta、小球藻Chlorella vulgaris等）在特定优化条件下表现出较高的产氢潜力。例如，杜氏藻残渣在未预处理条件下可达192.35 mL/g VS的氢产量。通过酸热预处理，小球藻Kessleri的产氢量提升至44.24 mL/L。然而，单一培养对环境波动敏感，且规模化培养成本较高。

混合微藻培养

混合微藻培养（如微囊藻Microcystis wesenbergii和M. aeruginosa、栅藻Scenedesmus等）通过多样性组成增强了碳水化合物可用性，从而支持更高的发酵效率。研究表明，混合培养经温和酸预处理后，产氢量可达54.6 mL/g VS。但混合培养的预处理和发酵效率优化仍是挑战，需进一步开发高效环保的预处理方法以最大化糖类释放并最小化抑制物生成。

基因工程改造微藻菌株

基因工程（如CRISPR-Cas9技术）被用于增强微藻的氢化酶（hydrogenase）活性和代谢通量。通过改造卡尔文循环或引入外源基因（如氰细菌果糖-1,6-二磷酸醛缩酶），光合效率和碳水化合物积累显著提升。例如，改造后的小球藻Chlorella vulgaris光合能力提高1.2倍，为发酵提供更多底物。此外，基因修饰还可减少抑制物生成，提升下游发酵的微生物活性。

微藻原料生产生物氢的潜在挑战

暗发酵的理论最大产氢量为12 mol H₂/mol葡萄糖，但实际产量常仅2–4 mol，主要因代谢路径竞争（如挥发性脂肪酸VFA和乙醇生成）、氢化酶氧敏感性及终产物抑制。此外，微藻 biomass 的碳氮比（C/N）需维持在15–30之间，以避免氨积累抑制产氢。底物转化效率低、预处理成本高及抑制剂生成（如5-羟甲基糠醛5-HMF）进一步限制了经济可行性。过程参数（如pH、温度、水力停留时间HRT和有机负载率OLR）的优化至关重要，但多参数协同调控难度大。

提高微藻原料生物氢生产的策略

操作参数优化

pH（5–7）、温度（中温25–40°C或高温40–80°C）、HRT和OLR的精细控制可定向代谢路径。例如，pH 7.4下小球藻产氢量达31.2 mL/g DCW；HRT缩短至0.5天可提升产氢率至0.90 L H₂/L。逐步增加OLR或脉冲进料策略有助于平衡底物可用性与抑制效应。

抑制氢消费者

甲烷菌（methanogens）消耗氢气，降低产率。热预处理（60–100°C）、化学抑制（如2-溴乙磺酸钠BES）或电处理（生物电化学系统BES）可选择性抑制甲烷菌。BES应用0.4V电压时，产氢量提升三倍。酸性pH和表面活性剂（如SDS）亦有效，但环境成本需考量。

基因修饰

通过过表达氢化酶基因（如hydA）或敲除竞争路径基因（如乳酸生成酶），可增强电子流向产氢。例如，改造克雷伯氏菌Enterobacter aerogenes后产氢提升88%； NADH通路优化使产氢达1.32 mol H₂/mol葡萄糖。基因工程还可增强微藻胁迫耐受性，提高 biomass 质量。

微生物固定化

封装微生物于藻酸盐或活性碳载体中，可提高细胞密度、防止洗脱并保护环境应激。活性碳固定化使产氢量提升259%，达1.2 mol H₂/mol葡萄糖。混合固定化（如藻酸盐-壳聚糖-活性碳）还能同步去除抑制剂，提升反应稳定性。

纳米技术方法

纳米材料（如Fe₃O₄、Mg-Zn铁氧体NPs）作为电子供体或催化剂，增强氢化酶活性和底物降解。添加30 mg/L Fe₃O₄ NPs使产氢提升44%；混合纳米金属（钴与零价铁）协同提高产氢至7 mL H₂/g VS。纳米催化还可强化预处理，提升可发酵糖释放。

抑制剂脱毒

物理（活性碳吸附）、化学（碱处理）或生物（微生物降解）方法去除抑制剂（如5-HMF、糠醛）。深共晶溶剂（DES）可提取86%糠醛；生物固定化系统实现100% 5-HMF去除，产氢率达1.48 L/L/天。膜辅助细胞保留技术能选择性分离抑制剂，保留糖底物。

发展集成系统以改进生物氢生产

混合系统用于生物氢生产

暗发酵-光发酵耦合系统可最大化底物利用和能源回收。例如，暗-光循环折流板反应器（DP-CBR）处理蛋白废水时，产氢率0.4 L/g COD，COD去除率82%。动态膜生物反应器连续进料藻类水解液，产氢21.58 L/L。整合CO₂捕获与微藻培养的闭环系统，进一步提升可持续性。

微生物电解系统用于生物氢生产

微生物电解池（MECs）利用外部电压（0.3–0.5V）催化产氢，同时处理有机废水。电极材料（如碳纤维阳极、铂/铱阴极）影响催化效率和成本。单室MEC用Saccharina japonica原料时，产氢492.3 mL/g TS。双室系统整合微藻阴极处理废水，产氢9.8 mL/L/天。电压优化和微生物群落管理是关键，但铂电极成本和大规模能效仍是挑战。

技术与经济可行性

规模化技术可行性

放大过程中，反应器均质性、气体分离纯化、长期运行稳定性及材料耐久性（如电极）是主要挑战。基因工程菌株在应激环境中可能失稳，污染风险增加。微藻培养的光穿透、收获及与下游整合需优化。MECs的复杂电极系统进一步增加工程难度。

规模化经济可行性

资本成本（开放池、生物反应器、纯化系统）和运营成本（营养、能源、化学品）高昂。暗发酵成本约1.28/kgH₂，但MECs集成系统达17–30/kg，高于传统蒸汽甲烷重整（$0.8–1.5/kg）。政策支持和副产物开发（如生物精炼）可改善经济性。规模效应可能降低设备成本，但控制复杂性增加开支。

局限性与未来建议

当前策略各有短板：热预处理能耗高、化学抑制环境风险大、基因工程监管严、固定化载体成本高、纳米材料环境安全性存疑、脱毒过程复杂。经济上，生物氢路线尚难竞争化石基方法。未来需开发智能控制系统、挖掘极端微生物、设计能效反应器、整合废水处理与CO₂捕获，并加强跨学科合作以推动技术落地。标准化技术经济分析和全生命周期评估将助力可持续发展。