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氫氣是一種清潔能源，是下一代新能源汽車(chē)的動(dòng)力燃料，有著(zhù)極為廣泛的應用前景。微生物產(chǎn)氫是重要的生產(chǎn)途徑之一，屬于綠色制造的新興發(fā)展領(lǐng)域，用以支撐經(jīng)濟和社會(huì )的可持續發(fā)展。

中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所“電能微生物學(xué)”研究團隊，通過(guò)熱處理耦合納米水鐵礦(Nano-ferrihydrite)添加的方法，分別從黃河三角洲濱海濕地、天鵝湖和渤海沉積物等樣品中定向富集分離獲得了若干具有電化學(xué)活性的發(fā)酵型異化鐵還原菌菌株，已獲發(fā)明專(zhuān)利授權。研究發(fā)現，納米水鐵礦被還原的過(guò)程顯著(zhù)改變了微生物群落結構及其代謝途徑，同時(shí)提高了碳代謝和產(chǎn)氫效率(如圖1所示)。

此外，研究以產(chǎn)氫菌株為研究對象，通過(guò)轉錄組學(xué)、電化學(xué)、酶學(xué)和化學(xué)計量分析等方法，揭示了異化鐵還原過(guò)程促進(jìn)產(chǎn)氫菌株富集并提高碳代謝和產(chǎn)氫效率的機制。研究發(fā)現，納米水鐵礦中的鐵還原過(guò)程與發(fā)酵過(guò)程相耦聯(lián)，使得產(chǎn)氫反應在熱力學(xué)上相對更加容易發(fā)生;鐵還原過(guò)程會(huì )接受電子，從而改變碳流和電子流的方向，產(chǎn)生更多氫氣;納米水鐵礦還能夠調控菌株基因表達，二組分系統(TCS)、葡萄糖磷酸轉移系統(PTS)、NADH脫氫酶和氫化酶等基因均被不同程度地被上調表達;此外，鐵還原過(guò)程還能夠消耗質(zhì)子，緩解發(fā)酵過(guò)程中有機酸累積，維持pH值的相對穩定，從而更有利于氫氣產(chǎn)生(如圖2所示)。

系列研究建立了篩選高產(chǎn)氫菌株的技術(shù)方法，并且獲得了系列菌株資源。研究成果有助于促進(jìn)微生物產(chǎn)氫領(lǐng)域的技術(shù)升級，為海岸帶區域經(jīng)濟的綠色制造和可持續發(fā)展提供技術(shù)支持。相關(guān)研究成果已經(jīng)陸續在A(yíng)CS Sustainable Chemistry & Engineering、Fuel、Bioresource Technology 和Science China Technological Sciences 等國內外期刊上發(fā)表。

該研究得到中科院戰略性先導科技專(zhuān)項(A類(lèi))(XDA22050301)、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )“水圈微生物驅動(dòng)地球元素循環(huán)的機制”重大研究計劃培育項目(91751112)和“泰山學(xué)者”青年專(zhuān)家計劃(tsqn20161054)等資助。