综述：废弃物制生物氢气生产技术：微生物代谢途径、多组学解析及面向循环氢经济的技经评估

《Results in Engineering》：Waste-to-Biohydrogen Production Technologies: Microbial Pathways, Omics Insights, and Techno-Economic Assessment for a Circular Hydrogen Economy

　　

在新兴的绿氢（H2）生产策略中，微生物生物制氢（BioH2）技术是一类极具前景的低碳及废弃物高值化路径。本综述基于循环H2经济框架，对废弃物制H2系统进行了系统性分析。研究人员首先通过文献计量学评估描绘了微生物BioH2生产领域的研究趋势、主题演变及全球科研动态。随后，综述系统梳理了固体生物质预处理技术（物理法、化学法及生物法）作为高效底物转化的关键步骤，继而分析了发酵法、酶法及光合作用法生产路径，重点阐述了关键微生物催化剂及其代谢通路。研究人员进一步探讨了废水流的资源化利用，强调其在可再生H2生产与环境污染治理方面的双重功能。此外，综述批判性讨论了基因工程及多组学（multi-omics）方法在提高H2产率、优化微生物菌群及解析调控H2代谢的调控网络中的作用。最后，研究人员评估了环境可持续性、技术经济可行性以及下游H2储存与分配面临的挑战，明确了废弃物源BioH2系统大规模应用的障碍与发展路径。

1. 1.
   Introduction
   氢气（H₂）作为一种可持续能源载体，因其在构建清洁、低碳及环境兼容系统中的潜在作用而受到研究界的广泛关注。全球能源需求随人口增长持续攀升，预计在未来二十年内增长48%，而当前全球87%的能源供应依赖化石燃料。化石燃料开采引发森林退化、水体污染及温室气体排放等显著环境问题，全球约15%的陆地面积受煤矿开采影响，导致栖息地破坏、土壤侵蚀及生物多样性丧失。此外，化石燃料燃烧释放一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、氮氧化物（NO_x）及硫氧化物（SO_x）等有害污染物。在此背景下，H₂因其高热值及质量能量密度优势成为研究热点，其利用仅产生水作为副产物，应用领域涵盖交通（燃料电池汽车）、发电、工业过程（如合成氨及甲醇生产）及储能。预计到2050年全球H₂年需求量将达到18.8至381.3 Mt。当前H₂生产主要依赖蒸汽甲烷重整（SMR）及水电解等热化学与电化学路径，其中SMR占全球产量的80–85%且伴随大量CO₂排放，水电解虽在使用端零碳但能耗极高，二者均存在规模化可持续性瓶颈。因此，生物制氢作为环境足迹更低的绿色替代方案日益受到重视。尽管微生物及酶促生物制氢技术潜力显著，但其应用仍多局限于实验室及中试阶段。预计2030年BioH₂产量将达到约15.5 Mt，通过资源一体化生产路径助力低碳供应链多元化。微生物可通过直接/间接光裂解、暗发酵（DF）、光合发酵（PF）及多路径耦合工艺生产BioH₂，其中DF因可利用多样有机废弃物且无需光照成为研究最深入的生物学路径。光合自养微生物（如微藻、蓝细菌及紫色非硫光合细菌PNSB）则可利用CO₂为碳源并以废水为生长基质，赋予光合路径经济可行性。区别于以往孤立探讨生物路径、废水利用、组学技术或可持续性评估的综述，本研究将上述维度整合于统一框架，依次通过文献计量识别研究缺口，系统分析DF、PF及光裂解等核心生物路径，讨论效率提升策略与挑战，评估有机废水协同产氢潜力，解析多组学在菌株改良及机理认知中的作用，并最终对比微生物制氢与传统热化学路径的环境与经济效益。
2. 2.
   Bibliometric analysis of microbial biohydrogen production
   研究人员基于Scopus数据库，以（“Biohydrogen” OR “Biological hydrogen production”）AND（“Dark fermentation” OR “Photofermentation” OR “Biophotolysis”）为检索式，限定英文文献类型，经筛选获得1398篇有效文献（截至2026年2月3日）。采用VOSviewer进行关键词共现分析，设定最小出现频次为2次。分析显示2017至2026年间相关论文发表量持续增长，反映全球对可持续能源生物基路径的开发热情。文献类型分布为1025篇研究论文、222篇综述、148篇书籍章节及3部专著。关键词网络分析表明，“Biohydrogen”、“Fermentation”、“Dark fermentation”及“Biomass”为核心高频词汇，相关聚类多出现于近年，印证生物基绿氢路径的新兴属性。“Methanogenesis”的高频出现提示产甲烷作用是暗发酵系统的关键瓶颈。“Sustainable development”及“Life cycle assessment”等可持续性关键词的涌现，体现学界对化石基制氢环境负担的关注。“Biomass valorization”与“Waste-to-energy”的共现则凸显农业残渣、餐厨垃圾及木质纤维素生物质等低成本可再生底物的研究热度。值得注意的是，“Cost benefit analysis”、“Economic analysis”、“Bioreactors”及“Scale up”等关键词表明，尽管生物路径尚处实验室阶段，其技术经济可行性与放大研究已逐步展开。
3. 3.
   Solid biomass pretreatment technologies
   固体生物质预处理是优化酶促或微生物制氢效率的关键环节。原始木质纤维素生物质结构复杂顽固，通常含38–50%纤维素、23–32%半纤维素及20–35%木质素。有效的预处理（物理、化学或酶法）可破坏木质素-纤维素-半纤维素复合基质，提升可发酵糖可及性，进而增强BioH₂生产效率。

3.1. Physical pretreatment technologies

物理预处理通过改变生物质物理结构而非化学组成以降低顽固性，常用方法包括机械处理（粉碎、切削、研磨）、热处理、超声、微波辐照及电离辐射。机械处理可减小粒径、降低纤维素结晶度并增大比表面积；热处理通过削弱氢键网络、部分溶解半纤维素及增加纤维素孔隙度实现解构；超声空化产生的剪切力可弱化木质素-碳水化合物连接，微波辐照则通过快速体积加热改变纤维素组织并促进半纤维素解聚为易发酵寡糖，且抑制剂生成少，尤其适用于DF产氢。研究表明微波预处理可显著提升产氢量，如Ulva reticulata经处理后产氢量提升近12倍。相较于化学法，物理法条件温和、基础设施简单且无二次化学废物，但受限于高能耗及木质素脱除不完全，常作为下游化学或生物转化的协同步骤。

3.2. Chemical pretreatment technologies

化学预处理利用酸、碱、氧化剂或有机溶剂溶解结构组分以提升酶可及性，是克服生物质顽固性的高效策略。酸预处理对半纤维素溶出效果显著但对木质素去除有限，碱预处理则通过酯键皂化促进木质素脱除。深共熔溶剂因对木质素亲和力强、环境友好及操作简便成为传统化学品的潜在替代品，离子液体预处理枣椰生物质可使BioH₂产率提升56%。然而离子液体存在生物降解性差、回收成本高及工艺复杂等问题，限制了其大规模应用。总体而言，化学法需耐腐蚀设备、严格安全管控、复杂的化学品回收及pH中和流程，推高了资本与运营成本，且抑制性副产物的生成常抵消水解效率增益，增加了工艺集成难度。

3.3. Biological pretreatment technologies

生物预处理利用酶或微生物活动在温和条件下破解木质纤维素结构。真菌（尤其是白腐菌）、微生物菌群或分离酶可选择性降解木质素-碳水化合物复合体。白腐菌通过漆酶及过氧化物酶等氧化酶系 dismantle 木质素骨架，褐腐及软腐菌则主要通过修饰半纤维素及部分破坏纤维素发挥作用。酶预处理通过水解酶靶向作用于复合体，改善纤维素氢键结构及可发酵糖可及性。研究显示商业酶制剂预处理Chlorella sp.生物质可使BioH₂产率提升40%。尽管生物法环境友好，但其受限于长停留时间、易污染及对操作控制的严格要求，需通过工艺集成与过程强化提升整体效率与经济性。

1. 4.
   Fermentative and enzymatic routes for biohydrogen production
   生物质制氢路径多元，包括热化学、电化学、生物电化学及生物路径。其中发酵与酶促路径是核心的生物基方法，依托微生物或酶在温和条件下转化有机底物，实现各类生物质资源的高值化利用。

4.1. Biohydrogen from liquid fermentation

液相发酵主要包括PF与DF。PF由光合细菌（PNSB）在厌氧光照条件下进行，核心酶为固氮酶（N₂ase），其中钼型固氮酶[Mo]-N₂ase因电子（e^?）与ATP消耗较低而占主导。PNSB吸收光能，将DF产生的有机酸转化为CO₂与H₂，反应呈强吸热特性，转化率通常为0.1–12%，可通过优化光强、底物浓度及反应器构型提升效率。DF则在无氧无光条件下由兼性/专性厌氧菌进行，通过糖酵解将碳水化合物降解为丙酮酸，经丙酮酸：铁氧还蛋白氧化还原酶（PFOR）生成还原态铁氧还蛋白，最终由氢化酶（H₂ase）催化产氢，主要产物包括挥发性脂肪酸（VFAs）、H₂及CO₂。根据微生物及环境条件差异，代谢流向乙酸路径（理论产氢4 mol H₂/mol葡萄糖）或丁酸路径（理论产氢2 mol H₂/mol葡萄糖），氧化还原平衡及电子流向分布决定路径选择。胞外pH与H₂分压（p_H2）是关键调控因子：高pH（≥6.0）与低p_H2促进乙酸型发酵及产氢，酸性环境（pH 4.5–5.5）与高p_H2则热力学受限，推动代谢转向丁酸合成以维持胞内氧化还原稳态。DF转化率可达60–80%，优于PF。研究表明底物特性显著影响产氢效率，如桃浆残渣因高纤维素（28.7–30%干重）、半纤维素（18.6–20%干重）及低木质素（5.35–6%干重）组成表现出优异产氢潜力。不同梭菌属（Clostridium）菌株的代谢差异亦导致产氢表现分化，C. butyricum与C. pasteurianum因较高的乙酸/丁酸比而产氢性能突出。通过人工菌群构建可突破Thauer极限（4 mol H₂/mol葡萄糖），如C. acetobutylicum与E. aerogenes consortium在批式培养中实现6.18 mol H₂/mol底物。DF-PF耦合工艺可进一步提升产氢量，如糖甜菜糖蜜经C. saccharolyticus暗发酵与R. palustris光合发酵两步转化，产氢率达13.7 mol H₂/mol蔗糖。然而，生物质供应的季节性波动、组分变异及物流约束仍是制约发酵制氢规模化的重要瓶颈。

4.2. Biohydrogen from solid state fermentation

固态发酵（SSF）在接近无水状态下进行，适宜的底物含水量对维持微生物代谢至关重要。丝状真菌因能分泌复杂胞外纤维素酶、耐受低水活度及高渗透压环境，成为SSF产氢的主要微生物。研究表明Aspergillus tubingensis在餐厨垃圾SSF中可将可溶性碳水化合物提升至38 mg/g总固体（TS），产氢量达77 mL H₂/g VS_added。初始碳水化合物浓度提升有助于增产，如A. awamori与A. oryzae在4% w/v餐厨垃圾条件下产氢量可达219 mL H₂/g VS_added。但SSF产氢受总固体含量（TS）制约显著，TS升高会抑制产氢效率，如小麦秸秆热解SSF中TS从10%增至33%时产氢量急剧下降。总体而言，发酵过程操作条件（30–60°C，常压，严格厌氧）较SMR或气化等热化学方法更为节能，但受限于底物转化不完全及还原当量分流至非氢产物，导致产氢率偏低，阻碍工业化进程。

4.3. Biohydrogen production from enzymatic conversion processes

酶法制氢依托纤维素酶等水解酶将纤维素类底物降解为可发酵糖，继而经发酵路径转化为BioH₂。水稻秸秆经纤维素酶处理后水解液糖浓度达54.18 g/L，产氢量为2.58 L H₂/L水解液。纤维素酶与淀粉葡萄糖苷酶联用可显著提升藻类生物质糖化效率及产氢量。酶法反应条件温和且无需后处理，但水解速率低限制了商业化应用。纳米材料修饰可增强纤维素酶的耐热及耐碱性，是提升催化效率与工艺经济性的重要方向。

1. 5.
   Principles and mechanisms of biophotolytic hydrogen production
   光合微生物通过光裂解作用利用太阳能驱动水分子分解产氢。直接光裂解过程中，光系统II（PSII）吸收光子能量氧化水产生H⁺、e^?及O₂，e^?经质体醌（PQ）、细胞色素b₆f复合体（B₆F）、质体蓝素（PC）传递至光系统I（PSI），进一步还原铁氧还蛋白（Fd），在缺氧条件下由叶绿体基质中的[FeFe]-氢化酶或胞质中的[NiFe]-氢化酶催化H⁺还原为H₂。间接光裂解则分为两阶段：光照期，PSII产生的e^?还原NADP⁺为NADPH，用于Calvin循环固定CO₂合成碳水化合物；黑暗厌氧期，储存的碳水化合物经发酵代谢产生H₂。光裂解制氢虽具备直接利用太阳能与CO₂的优势，但核心限制在于O₂对氢化酶与固氮酶的不可逆抑制。O₂可氧化[4Fe–4S]簇、破坏FeMo辅因子，甚至导致H-簇解体，永久失活氢化酶。部分变形菌门、产液菌门等细菌进化出耐氧氢化酶，通过将近端[4Fe–4S]簇替换为独特的[4Fe–3S]簇、改造疏水性气体扩散通道及整合入呼吸链实现O₂耐受，但此类酶催化周转率较低。从工程角度看，耐氧特性涉及簇组装、亚基整合及电子传递链适配等多层面适应，难以通过单一位点突变转移至工业宿主。光生物反应器内的光穿透、混合及流体力学特性亦显著影响微藻与蓝细菌的产氢效率。

5.1. Biohydrogen-producing cyanobacteria: metabolic and enzymatic aspects

蓝细菌为产氧光合生物，兼具PSI与PSII，通过直接或间接光裂解产氢。异形胞因其隔绝氧气的微环境成为理想的产氢场所。研究表明光照强度是核心调控参数，如Anabaena siamensis在连续光照（200 μmol m^?2s^?1）下产氢速率达15.2 μmol H₂mg^?1Chl h^?1，显著高于黑暗过渡后的产氢水平。特定抑制剂（如DCMU）阻断PSII活性可有效管理O₂水平，外源碳源（如甘油）供给亦可显著提升某些菌株的产氢速率，未来需系统评估不同碳源对固氮蓝细菌产氢的影响。

5.2. Biohydrogen-producing microalgae: mechanisms and limitations

微藻光合效率可达其他光合微生物的10–50倍，可在低氧、强光及宽pH范围内产氢。不同株系间产氢能力差异显著，如Chlamydomonas reinhardtii CC-409产氢量（730 mL H₂/L）高于CC-124（640 mL H₂/L）。微藻与细菌共培养可通过营养互作提升产氢效率，如C. reinhardtii与多菌种菌群共培养产氢量达313 mL H₂/L，与M. oryzae共培养产氢量为33.5 mL H₂/L，归因于细菌矿化营养元素、释放CO₂及发酵代谢产物促进了微藻生长与代谢活性。

1. 6.
   Sustainable biohydrogen production from wastewater streams
   废水处理耦合BioH₂生产可实现环境治理与清洁能源制备的双重效益。DF是处理高碳水废水的主流路径，反应器构型显著影响效率，如厌氧流化床反应器处理木薯废水产氢率为1.91–1.98 mol H₂/mol葡萄糖，而批次反应器仅为1.25 mol H₂/mol碳水化合物。有机负荷率（OLR）与水力停留时间（HRT）是关键操作参数，过高OLR会抑制产氢。乳业废水在OLR为28.65 kg COD m^?3d^?1时产氢率达2.56 mol H₂/mol碳水化合物，OLR升至95.76 kg COD m^?3d^?1时降至0.95 mol H₂/mol碳水化合物。升流式厌氧污泥床-固定膜反应器处理棕榈油厂废水在中试规模下H₂产率为12–39 L H₂/d（HRT=24 h）。PF适用于富含有机酸的废水，但受废水色度影响显著，橄榄厂及制糖废水中的高浓度有机物与酚类会阻碍光穿透，需预处理脱色。葡萄酒废水在1500 mg COD/L条件下经R. sphaeroides O.U.001发酵产氢量达468 mL H₂/L。菌株特异性亦影响PF效率，R. capsulatus YO3在糖甜菜糖蜜废水中产氢率（10.6 mol H₂/mol蔗糖）高于R. sphaeroides O.U.001（9.4 mol H₂/mol蔗糖）。铵离子（~2 mM）会显著抑制PNSB代谢，需关注高蛋白废水的预处理。DF-PF串联工艺可大幅提升产氢量，如棕榈油厂废水经两级处理产氢量较单级DF提升3倍，小麦酒糟因富含VFAs较玉米酒糟更适合作为串联工艺底物。
2. 7.
   Advances in omics tools for enhanced biohydrogen production
   组学技术为解析产氢机制与菌株改良提供了系统工具。遗传工程改造靶基因可显著提升产氢效率，如向C. reinhardtii导入豆血红蛋白编码基因lba使其产氢量提升22%；敲除Synechocystis sp. PCC6803的NADH脱氢酶-1（NDH-1）复合体并过表达氢化酶基因可减少电子分流；调控甲酸氢化酶（FHL）复合体相关基因（hycA, hyaAB, ldhA等）及转录激活因子FhlA可优化大肠杆菌的FHL依赖性产氢；下调光捕获复合体（LHC）家族基因可提升微藻光子利用效率；改造R. sphaeroides的光捕获系统（敲除pucBA并过表达pufQ与spbA）使产氢量增加93%；删除R. capsulatus nifA基因的铵敏感N端区域可增强固氮酶的铵耐受性，提升产氢量2.6倍。然而，转基因微生物的工业化受限于各国监管框架，欧盟基于过程的审批制度（Directive 2001/18/EC）较美国基于产品的监管路径更为严格，增加了合规成本与时间。多组学整合策略（宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学及代谢组学）可解析微生物群落功能与代谢瓶颈。宏基因组学揭示了Thermoanaerobacterales目菌属因精简基因组与高表达氧化还原偶联酶而具有高比产氢率；宏转录组学证实高pH₂或特定pH下碳流可能从产氢转向乙酸合成；宏蛋白质组学定量了铁氧还蛋白-NADP⁺还原酶（FNR）、乙酸激酶（ACK）及各类氢化酶的活性；代谢组学则揭示了ldhA突变导致的还原力重分布效应。合成生物学结合多组学数据可理性设计产氢菌群，如基于基因组尺度代谢模型指导的合成菌群通过种间互作提升电子传递效率。机器学习（ML）模型（如XGBoost）可预测挥发性脂肪酸（VFAs）浓度以优化产氢，但需结合SHAP等可解释性技术克服“黑箱”局限，未来需发展融合数据驱动学习与机理约束的混合建模框架。
3. 8.
   Sustainability and techno-economic evaluation of hydrogen production and downstream infrastructure
   8.1. Environmental sustainability assessment
   生命周期评价（LCA）是评估制氢环境影响的核心方法。研究表明生物制氢路径的环境效益显著优于热化学路径：光发酵（PF）的全球变暖潜势（GWP）为1.88 kg CO₂eq.，DF为4.52 kg CO₂eq.，远低于蒸汽重整（SR）的11.8 kg CO₂eq.；PF的空气酸化潜势（AP）最低（3.61 g SO₂eq.），且无电离辐射（IR）贡献。生物制氢的水消耗潜势（WCP）、水资源稀缺足迹（WSF）及人类毒性（非致癌）潜势（HTNC）亦低于热化学法。DF与PF的GWP分别低至0.5与0.2 kg CO₂eq./kg H₂，优于风电电解（1.9 kg CO₂eq./kg H₂）、高温电解（2.1 kg CO₂eq./kg H₂）及光伏电解（6.8 kg CO₂eq./kg H₂）。但PF的环境优势高度依赖系统边界设定，若将人工光照、搅拌能耗及底物预处理纳入核算，其碳排放将显著上升。底物特性亦影响LCA结果，小麦秸秆、甜高粱秆及马铃薯皮渣的热解-PF制氢GWP分别为5.60、5.32及5.18 kg CO₂eq/kg H₂，较化石路径减排52–57%。反应器类型（连续搅拌釜式反应器CSTR较上流式厌氧污泥床固定膜UASFF碳足迹低7%）、预处理工艺（稀硫酸预处理较有机溶剂法减排34 g CO₂eq/kg生物质）及工艺耦合（DF-PF串联）均对环境表现产生显著影响。当前LCA研究多局限于实验室规模，且常简化或忽略生物质种植收集阶段的贡献，需进一步完善方法论以提升结果可比性。

8.2. Techno-economic assessment

技术经济评估（TEA）显示生物制氢成本受工艺路径与规模影响显著。污泥DF制氢成本约为11.4 USD/kg H₂（处理量23 t/d）；DF耦合微生物电解池（MEC）处理奶酪乳清成本约11.3 USD/kg H₂，电极材料成本是主要瓶颈；PF成本区间为8–10 USD/kg H₂，通过光化学效率优化可降至3 USD/kg H₂以下；餐厨垃圾DF成本为3.2 USD/kg H₂；光解制氢成本中光生物反应器占比最高，开放池（~6 USD/m²）较光生物反应器（~100 USD/m²）更具成本优势。DF-PF串联工艺虽提升底物转化率，但因增加反应器单元及PF能耗，平准化制氢成本（LCOH）达5 USD/kg H₂，高于单级DF的2.64 USD/kg H₂。微藻光裂解制氢成本约1.42–2.13 USD/kg H₂，接近美国能源部设定的2.6 USD/kg H₂目标。当前生物制氢技术成熟度差异显著：光裂解处于实验室阶段（TRL 2-4），DF已达中试及早期商业化阶段（TRL 4-6）。预计2050年电解水制氢成本将降至2 USD/kg H₂以下，而生物制氢市场较小（2024年估值71.24百万美元，预计2034年达135.05百万美元，CAGR 7.4%），受限于高成本、低产率及规模化难题，其商业化预计在2040–2050年后率先应用于分布式能源场景，需将成本降至2 USD/kg H₂以下以保障竞争力。

8.3. Storage, transportation, and distribution of biohydrogen

H₂的低体积密度特性使得储存与运输成为规模化部署的瓶颈。高压气态储氢技术成熟但压缩能耗高，且面临材料耐久性与安全风险；低温液态储氢体积密度高但液化能耗巨大并伴有蒸发损失；吸附储氢（金属有机框架MOFs、碳基材料）及化学储氢（金属/复合氢化物）理论容量高，但受限于成本、可逆性及动力学问题。管道输送是高流量连续供氢的最经济方案，但现有基础设施匮乏，且H₂致材料劣化与泄漏风险需专用材料与系统改造。高压拖车与液氢槽车灵活但受限于压缩/液化能耗与基础设施不足。突破储氢密度限制、解决材料兼容性、安全性及基础设施缺口是实现生物制氢工业化部署的前提。

1. 9.
   Challenges and development pathways for sustainable biohydrogen production
   生物制氢的可持续发展面临多尺度挑战。分子层面需改造耐氧氢化酶（修饰活性中心微环境或气体扩散通道）、重编程固氮酶调控网络以减少竞争性能量消耗、构建合成菌群强化种间互作、在极端微生物中异源表达产氢酶系以提升环境耐受性。反应器层面需开发新型光生物反应器，优化光程与光分布，强化原位O₂移除（气提或时空分离产氢/产氧）。膜分离技术可实现发酵过程原位H₂回收，微生物电解池（MEC）可协同处理有机废水，但阳极生物污堵与阴极析氢过电位（尤其非贵金属催化剂的长期稳定性）仍需突破。未来需通过材料创新、工艺集成与系统优化加速生物制氢从实验室向工业化转化。
2. 10.
   Conclusion
   微生物制氢路径多样，其中光裂解路径本质可持续，但核心瓶颈在于产氧光合系统与耐氧氢化酶在规模化反应器中的系统整合。预计2050年电解水成本降至1.4 USD/kg H₂以下，而暗发酵因无需光照、运行稳健及兼容废弃底物，将成为2040–2050年间最具产业化前景的路径。然而当前DF产氢量仍受限于理论产率上限、底物预处理需求及工艺效率，需通过代谢重构、菌群优化及原位产物移除突破热力学限制。未来研究需聚焦于：能否将产氧光合系统与耐氧氢化酶功能偶联且不破坏电子传递链；能否通过气体通道改造或合成氧化还原缓冲模块维持长期工业级产氢速率；能否突破DF的理论产率上限；能否开发兼具时空分离能力与高效气提功能的规模化反应器。解决上述问题将决定生物制氢技术在氢经济中的实际应用价值。