综述：微生物酶和活性辅助电解技术在生物氢生产中的应用

《Biomass and Bioenergy》：Microbial enzymes and activity-assisted electrolysis for the production of biohydrogen

生物电催化技术利用氢化酶和固氮酶等生物催化剂或微生物电解池（MEC）将水分解为氢气，具有高效、环保和可持续的特点，但存在酶稳定性差、规模化困难等问题，需通过优化酶固定化技术、电极材料及系统设计推动实际应用。

　　

作者名单：Shalu Rawat、Soumya Ranjan Mishra、P. Manikanta、Rohit Rangnath Nikam、Philippe M. Heynderickx、Siddappa A. Patil、Bhari Mallanna Nagaraja

所属机构：印度卡纳塔克邦班加罗尔Kanakapura的JAIN（被认可为大学）纳米与材料科学中心，邮编562112

摘要

生物过程为绿色化学和可持续技术提供了途径。其中一种应用是利用微生物酶或整个微生物细胞来生产生物氢（bio-H?）。然而，尽管H?是最可持续且可再生的燃料，但其生产技术仍存在局限性，如产量低、成本高，并且会对环境造成损害。酶作为生物催化剂，在通过电催化产生生物氢方面展现出巨大潜力，为传统生产方法提供了替代方案。在这些酶中，氢化酶（hydrogenase）起着关键作用，可分为[Fe]-氢化酶、[FeFe]-氢化酶和[NiFe]-氢化酶三种类型，它们能催化质子可逆地转化为分子氢。虽然氮化酶（nitrogenase）主要负责固氮作用，但在特定条件下也能显著促进H?的生成，进一步丰富了可用于可持续能源应用的酶种类。这些酶的结构和化学特性为我们理解其催化机制提供了重要线索。此外，微生物电催化细胞（MECs）是一种创新技术，其中微生物与电极相互作用以促进氢气的产生。本文综述了参与H?生成的三种氢化酶、氮化酶以及MECs的结构和化学特性，同时探讨了酶在电极上的固定方法、酶-电极及MEC-电极之间的电子传递机制，以及影响生物氢生成的因素，并总结了该领域的最新进展、当前的可扩展性限制及未来研究方向。

引言

由于对气候变化的担忧加剧、对能源安全需求的增加以及全球对化石燃料的持续依赖，全球能源格局正在发生转变[1]。化石燃料消耗量的下降及其在能源供应中的主导地位受到环境问题和供应链不稳定性的影响。因此，投资和政策开始转向脱碳方向，特别是在H?能源领域[2]。燃料电池技术的不断进步及其在能源系统、交通运输和发电中的应用，使得H?成为备受追捧的能源载体，能够有效减少最具挑战性的行业的碳排放[3]。以H?为动力的零排放车辆和固定式能源系统更是锦上添花，H?在工业中具有颠覆性作用，能够替代高碳排放过程，并在能源存储领域有多种应用[4,5]。减少气候变化的主要障碍仍然是如何利用可再生能源通过现代水电解方法生产更多绿色H?[6,7]。电催化水分解是直接获取H?的方法，支持国际气候变化缓解合作，有助于实现净零目标，并满足对具有韧性和安全性的能源系统的全球需求[8]。 生物电催化利用某些酶（如氢化酶）与电化学系统结合，通过水的分解产生H?[9,10]。在生物燃料电池配置中，有机底物在阳极被氧化产生质子和电子[11]，电子通过外部电路传输至阴极，而质子则通过质子交换膜（PEM）或盐桥传递。在阴极处，氢化酶将质子和电子结合生成分子氢，由于清洁的H?生成方式，这一过程可在接近常温常压的条件下进行[12]。生物电催化还具有其他优势，如更高的效率、选择性催化生物反应，以及能在常温常压下进行反应[13]。使用特定的酶生物催化剂或生物分子系统可以减少对贵金属催化剂的依赖，从而促进可持续实践。生物电催化系统设计上具有模块化特点，便于调整和改进组件，以解决延长系统寿命和增强稳定性的问题[14]。因此，为了提升循环经济和绿色能源技术，研究人员将生物电催化系统融入传统电催化技术中，以发挥生物选择性的优势，实现可持续的H?生产[15]。 生物电催化驱动的H?生产有助于实现可持续能源转型，因为H?是一种多功能燃料，而生物电催化是一种清洁、直接、高效且环保的H?生成及生物质/有机废物转化技术[9,16]。从可持续发展的角度来看，这种直接转化为清洁H?的方式有助于通过从废弃物中回收价值来支持循环经济，同时通过降低温室气体排放和环境污染物来达成气候目标[17,18]。温和的操作条件与可扩展性的结合提高了系统的适应性，降低了能源消耗，在各种地理和经济环境中更具吸引力[19]。生物催化剂的环保特性及其高催化效率凸显了其在建立完全可持续H?经济中的重要性[20,21]。 本文旨在关注可再生H?能源的市场推广以及生物电催化作为可持续研究前沿的新方法[21,22]。内容涵盖了通过电化学水分解生产H?的过程，包括质子和电子的转移机制，重点讨论了酶催化剂（尤其是氢化酶）和微生物电解池的优势，以及与典型催化系统的比较，分析了不同生物电催化性能、酶固定技术及电子向无机催化剂的传递路径。此外，还探讨了催化剂和人工酶设计的最新进展，以及仿生系统的进展。将这些技术规模化并整合到生物有机系统中，以及理想的经济条件、酶的持久性和系统的经济可行性，都是关键考虑因素。本文旨在为未来研究人员开发高效、经济且环保的H?生产技术提供指导。

氢生产方法概述

H?的生产可以通过多种策略和基础设施实现，既可以使用可再生资源也可以使用不可再生资源[23]。根据所用原材料的不同，H?生产过程可分为两大类：传统技术和可再生能源技术[24]。传统技术依赖于化石燃料，包括碳氢化合物的重整和热解；而可再生能源技术则侧重于利用太阳能等清洁能源[24]。

用于氢生产的生物电催化

生物电催化是一种可持续且高效的生物制造方法，结合了生物催化和电催化技术，利用电能高效、选择性地生成可降解材料、清洁生物燃料和增值化学品[50]。传统的生物催化技术实现了化学能与电能之间的转换，并支持可持续的绿色化学过程，其中生物电催化剂是核心功能组件[15]。

酶与电极的结合

氢化酶的固定可提高其稳定性、催化效率和反应方向性[149]。因此，氢化酶的固定最终提升了H?的生产效率[150]。固定方法对电催化性能至关重要，理想的固定方法应采用温和的化学条件，并能在短时间内实现有效的酶固定[150]。

影响生物电催化H?生成的因素

除了酶和微生物的固定方法及电极材料外，还有多种因素会影响H?生成的效率。下文将讨论这些因素。

与无机催化剂的性能比较

包含生物来源酶和微生物的生物电催化剂在H?生产中展现出巨大潜力。将其与传统金属基催化剂进行比较，有助于了解其在电催化领域的现状和未来潜力。传统催化剂通常通过多步骤、资源密集型工艺合成，涉及高温处理、化学还原和表面修饰[24]。

生物电催化H?生成的技术成熟度

由于生物电催化系统的可持续性，它们近年来受到广泛关注；不过大多数相关研究仍局限于实验室规模，尤其是在酶促H?生成方面。目前尚未有报道关于氢化酶在工业规模上的应用实例。在真实工业条件下验证工艺的试点测试至关重要[25]。

生物电催化的最新进展与创新

尽管H?生产方法取得了进展，但生物电催化H?生成仍面临诸多挑战。尽管利用酶和仿生催化剂的水电解技术取得了显著进步，但由于氧气耐受性和酶的脆弱性等问题，其广泛应用仍面临障碍[26]。

未来方向与挑战

将实验室原型系统转化为实际应用系统仍面临诸多科学和技术挑战。实验室系统及其催化组件需要克服诸多难题，才能实现商业化[275]。此外，还需解决单相流动系统的限制等问题。

结论

生物氢（Bio-H?）是一种清洁、可再生的燃料，碳足迹极低，被认为是最具前景的可持续燃料之一。通过生物电催化生产Bio-H?是一项新兴的绿色技术。氢化酶和氮化酶等生物酶以及产氢微生物可作为潜在的生物电催化剂。其中，[FeFe]-氢化酶的H?生成能力最强，转化效率可达数千倍[28]。然而，其实际应用仍面临挑战。

作者贡献声明

Shalu Rawat：概念构思、数据整理、研究设计、方法论制定、验证、初稿撰写。 Soumya Ranjan Mishra：数据整理、数据分析、初稿撰写、审稿与编辑。 P. Manikanta：数据整理、数据分析、初稿撰写。 Rohit Rangnath Nikam：数据整理、数据分析、初稿撰写。 Philippe M. Heynderickx：审稿与编辑。 Siddappa A. Patil：数据整理、数据分析、验证。 Bhari Mallanna Nagaraja：（未明确具体贡献内容，原文省略）

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢JAIN（被认可为大学）纳米与材料科学中心、DST（印度政府纳米计划）以及NR/NS-20/2014项目、JU/MRP/CNMS/116/2025号小型研究项目、JU/APP/CRTA/2024/805号博士后奖学金、JU/CRTA/Aug-24/29号指导计划和JUCRTAPDF006号的财政支持。