Renewable algal photo H2 production without S control using acetate enriched fermenter effluents

使用富含乙酸鹽的發酵罐流出物生產無需 S 控制的可再生藻類照片 H2

來源：International Journal of Hydrogen Energy Volume 46, Issue 2, 6 January 2021, Pages 1740-1751

 

1. 摘要核心內容

 

本研究提出一種無需硫（S）剝奪的新型藻類光解制氫策略，通過調控乙酸鹽/氯離子（Acetate/Cl?）比例實現持續產氫：

 

核心機制：當乙酸鹽/Cl?比例 >150 時，乙酸鹽競爭性結合PSII放氧復合體（OEC）的Cl?位點，抑制氧氣釋放（圖1），激活氫酶（HydA）產氫（圖3）。

 

 

 

產氫性能：在富含乙酸鹽的發酵廢水中，C. sorokiniana和C. reinhardtii分別實現15天持續產氫~80 μmol/L和~95 μmol/L（圖5）。

 

 

分子機制：分子動力學模擬（MD）證實乙酸鹽破壞PSII中Yz-His190氫鍵（圖2），阻斷質子傳遞路徑，抑制放氧。

 

 

2. 研究目的

 

替代傳統硫剝奪法：驗證乙酸鹽/Cl?比例調控能否替代人工硫/氯剝奪，實現自然水體（如廢水）中的藻類持續產氫。

 

解析分子機制：探究乙酸鹽抑制PSII放氧的分子機制（通過MD模擬Yz-His190氫鍵變化）。

 

工程化驗證：利用實際發酵廢水（富含乙酸鹽）驗證連續光解制氫可行性。

 

3. 研究思路

 

材料與處理：

 

藻種：Chlorella sorokinianaUTEX 2714 與 Chlamydomonas reinhardtiiUTEX 2243。

 

處理：調控乙酸鹽/Cl?比例（47–560），以發酵廢水為底物，在光生物反應器（PBR）中運行。

 

多尺度驗證：

 

生理層面：Unisense微電極實時監測O?/H?濃度（圖1,3,4,5），測定葉綠素、氫酶活性（圖3）。

 

分子層面：MD模擬乙酸鹽對PSII中Yz-His190氫鍵的影響（圖2）。

 

工程驗證：15天連續PBR運行（圖5）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) 乙酸鹽/Cl?比例調控放氧（圖1）

 

數據來源：Unisense O?微電極（OX10）監測反應器頂空O?濃度。

 

發現：

 

乙酸鹽/Cl? >150時，O?完全耗盡（24小時內）；比例>300時O?清除速率提升46%（圖1a-c）。

 

C. sorokinianaO?清除速率比C. reinhardtii高2.9倍（圖1c）。

 

意義：首次量化乙酸鹽/Cl?閾值，為廢水制氫提供操作參數。

 

(2) 分子機制：乙酸鹽破壞Yz-His190氫鍵（圖2）

 

數據來源：MD模擬PSII的D1/D2亞基（PDB:5MX2）。

 

發現：

 

乙酸鹽離子 >10個時，Yz-His190氫鍵概率從80%降至<35%（圖2c）。

 

高乙酸鹽濃度模擬結果與厭氧條件一致（氫鍵概率≈0）。

 

意義：從原子層面揭示乙酸鹽抑制放氧的機制，為靶向設計提供依據。

 

(3) 產氫性能與氫酶活性（圖3）

 

數據來源：Unisense H?微電極（H2-NP）監測H?濃度，生化法測HydA活性。

 

發現：

 

乙酸鹽/Cl?=150時，最大產氫速率0.33 μmol/L/min（C. sorokiniana），HydA活性峰值53.4 U/mg蛋白（圖3a-b）。

 

產氫量與HydA活性正相關（R2>0.95）。

 

意義：證實產氫依賴光合作用（非發酵途徑），HydA是限速酶。

 

(4) 光合作用依賴性驗證（圖4）

 

數據來源：PSII抑制劑DCMU處理，黑暗對照。

 

發現：

 

DCMU或黑暗條件下無H?產生（圖4a-b），O?耗盡也不觸發產氫。

 

意義：排除發酵途徑貢獻，確立光解制氫的主導地位。

 

(5) 發酵廢水連續產氫（圖5）

 

數據來源：連續PBR運行15天，Unisense電極監測H?/O?。

 

發現：

 

乙酸鹽/Cl?=150時，兩藻種持續產氫15天（均值82–106 μmol/L），生物量穩定（0.54–0.76 g/L）（圖5a,d）。

 

意義：驗證實際廢水應用的可行性，突破傳統硫剝奪法的工程限制。

 

5. 核心結論

 

乙酸鹽/Cl?比例是放氧開關：比例>150時，乙酸鹽競爭性結合OEC的Cl?位點，抑制放氧并激活產氫。

 

分子機制明確：乙酸鹽破壞PSII中Yz-His190氫鍵，阻斷質子傳遞（MD模擬）。

 

廢水應用可行：發酵廢水（乙酸鹽/Cl?=150）支持15天連續產氫，為廢水-能源聯產提供新路徑。

 

藻種差異：C. sorokiniana產氫速率更高，但C. reinhardtii長期穩定性更優。

 

6. 丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

技術原理與方法

 

設備型號：Unisense H?-NP和OX10微電極，分別檢測H?和O?。

 

實驗設計：

 

電極置于反應器頂空，實時監測氣體濃度（非侵入式）。

 

兩點校準：空氣飽和水（O?校準）和N?環境（H?零點）。

 

秒級分辨率捕捉O?消耗與H?積累動態（圖1,3,5）。

 

關鍵發現與意義

 

動態關聯O?/H?：

 

O?清除閾值：乙酸鹽/Cl?>150時，O?濃度24小時內降至0（圖1a-b），H?隨即積累（圖3a,c）。

 

→ 意義：首次明確乙酸鹽觸發O?耗盡的臨界值，推翻"硫剝奪不可替代"的認知。

 

產氫滯后性：O?耗盡后1–2小時H?開始積累（圖3），揭示氫酶激活的生理延遲。

 

工藝優化依據：

 

產氫速率量化：Unisense數據直接計算產氫速率（0.20–0.38 μmol/L/min），為反應器放大提供參數。

 

抑制劑驗證：DCMU處理后H?未檢出（圖4），排除非光合路徑貢獻。

 

工程應用價值：

 

連續運行監控：15天數據（圖5a）顯示H?穩定產出，O?始終未檢出，證實工藝魯棒性。

 

廢水適配性：發酵廢水（高乙酸鹽）中電極數據與合成培養基一致，驗證技術普適性。

 

技術優勢

 

高靈敏度：檢測限0.05 μmol/L（H?），精準捕捉低濃度生物氣體。

 

實時動態：秒級分辨率揭示O?耗盡與H?產生的時序關系（圖3）。

 

非破壞性：頂空監測避免干擾藻細胞代謝，保障數據真實性。

 

總結

 

本研究通過整合Unisense微電極技術與分子模擬，突破藻類制氫的傳統硫剝奪瓶頸：

 

機制創新：乙酸鹽/Cl?比例 >150 時，乙酸鹽競爭性抑制PSII放氧（圖1），激活氫酶產氫（圖3）。

 

技術貢獻：Unisense電極提供O?/H?動態關聯的直接證據（圖1,3,5），量化產氫速率并驗證光合依賴性（圖4）。

 

應用前景：發酵廢水連續產氫15天（圖5）驗證"廢水-能源"聯產可行性，為可持續制氫提供新范式。丹麥Unisense電極的高精度氣體監測是機制解析與工藝優化的基石。