10、生物质基生物制氢：代谢途径、挑战与未来展望

生物质基生物制氢：代谢途径、挑战与未来展望

1. 生物制氢的背景与意义

随着化石燃料供应的快速减少以及气候变化带来的灾难性后果，寻找更清洁、可持续的能源迫在眉睫。氢气因其高能量输出和合理的加热能力，被视为潜在的化石燃料替代品。然而，目前工业制氢的主要方法，如蒸汽 - 甲烷重整、油气化和煤制气等，都会产生温室气体，导致气候变化。电解水制氢也并非碳中性，因为它需要大量的能量。相比之下，微生物途径制氢，尤其是微藻生物制氢，具有生长速度快、能耗低、环境友好且无需对木质素材料进行预处理等优点。

2. 生物质生物制氢的途径

2.1 光发酵

光发酵利用阳光而非糖类作为能源。其过程可以用以下方程式表示：
[16ATP + N_2 + 16H_2O + 10H^+ + 8e^- \rightarrow 16ADP + 2NH_4^+ + 16Pi + H_2]
在这个过程中，异养发酵和内部底物的分解反应为绿藻提供电子。此外，光能和氧化碳代谢有助于电子的提取。产生的电子成功转移到质体醌池，并与基于叶绿体的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 - 质体醌氧化还原酶结合。转移到[Fe] - 氢化酶和铁氧还蛋白的电子会产生较高的氧化还原电位，从而在黑暗和缺氧的环境中诱导[Fe] - 氢化酶产生大量的生物氢气。

与暗 - 光发酵相比，光发酵在氢气产量方面表现更优，约为(141.42 ml (g TS)^{-1})。但与电化学和生物光解方法相比，它在日光转换和最终产品产量方面效率较低。

2.2 暗发酵

富含碳水化合物的绿色微藻通常通过一种与光无关的过程，即暗发酵来生产生物氢气。葡萄糖分子的完全转化可以用以下方程