研究简介：暗发酵产氢气是指产氧细菌和微藻等微生物在厌氧策的条件下将有机物降解为分子量较小的有机酸、乙酵等液相代谢产物的同时产生氢气的过程，该过程不需要外界输入光能。微生物制氢一般可以分为三类。第一类为暗发酵产氢气，细菌和微藻在厌氧、没有光照的条件下，降解有机物的同时产生氢气。第二类为光发酵产氢气，光合细笛在厌氧、光照的条件下，降解有机物的同时产生氢气。第三类为光解水产氢气，微藻在厌氧、光照的条件下，直接光解水产生氢气。本论文主要是研究了沉积物在缺氧环境中是如何通过沉积物中的微藻实现了暗发酵产氢的过程，从而在渗透性沉积物中的实现了通过微藻的暗发酵过程产氢实现了一种新的能源存储方式。


unisense微电极研究系统应用：

应用了unisense微电极测试了沉积物中氢气的含量。其中的氢气微电极在使用前进行了常规的两点校正做出标准曲线。氢气微电极应用于测试海床沉积物不同深度处的氢气浓度，用于检测跟踪沉积物中的产氢细菌暗发酵过程中的产生的氢气浓度。


实验结果：

海洋中的渗透性沉积物是分布在海洋大陆架区域的一种沉积物，该类沉积物对于海洋地球生物化学循环至关重要，沉积物中的有机类物质是微藻类古菌或产氢细菌通过无氧暗发酵代谢的方式分解。我们分析一种流入式反应实验过程中发现海洋水体中产生的溶解性无机碳主要是厌氧真核生物的代谢活动产生的，同时在产生溶解性无机碳的同时伴随着大量的溶解性氢气的生成。这类厌氧真核的生物的代谢产生氢气和无机碳的过程能够抵抗广谱的杀菌抗生素，但是甲硝唑类抗生素加入会阻止这类厌氧真核生物代谢产氢的过程，这是因为甲硝唑会抑制厌氧真核生物内的铁原还蛋白氢化酶发酵产氢过程，代谢组学分析表明在缺氧情况下，由于微藻的无氧暗发酵导致脂质类物质的浓度迅速增加。细胞计数法实验揭示了沉积物中的微藻在缺氧代谢产氢的优势，这也说明海洋沉积物中的微藻的暗发酵产氢是一种重要的能源储存途径。

图1、FTR实验过程中的代谢测试。测试的沉积物来自于澳大利亚菲利普港湾（a,c,d），以及丹麦的凯特明讷峡湾。图a,b表示的是沉积物中的氧气的消耗，溶解性无机碳（DIC），亚硝酸盐及氮气（以N表示）的生产量。图C表示的是硝酸盐的沉积物中在有含氧环境和无氧环境中溶解性无机碳的生成量以及不含硝酸盐的沉积物中在有含氧环境和无氧环境中溶解性无机碳的生成量。图d表示的是在缺氧环境中沉积物中含有阿莫西林或氯化汞时的溶解性无机碳的产出量。

图2、渗透性的沉积物中氢气和代谢物的生产。图a表示的是沉积物中硝酸盐对氢气生产率的影响。图b表示的是甲硝哒唑对于沉积物中的微藻的暗发酵过程中的氢气生产率的影响。图a和图b中的实线和虚线则分别表示的是环境体系由无氧环境变为有氧环境以及体系加入环丙沙星前和环丙沙星加入后过程的分界线。图c沉积物进行暗发酵代谢过程中产生的代谢物的量与产生的氢气的量的比值。图d表示的是使用五个微藻样品在沉积物中进行培养后暗发酵过程中的不同时间段所产生的氢气的浓度变化情况。

图3、渗透性沉积物中底栖藻类代谢的概念模型。在这个充满活力的环境中，沉积物的再悬浮以及涟漪迁移导致大量的藻类进入到缺氧及暗光线环境的沉积物中，在这样的条件下，微藻类物质进行暗发酵后高速率的生成氢气和脂质化合物。体系中的酶是PFR（丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶）和（FDX）铁氧化还原蛋白。淡色的阴影区域代表的是沉积物中氧气浓度下降分布区域，黄色的区域代表的是缺氧的渗透性沉积物。


总结：

生物质制氢途径主要包括微生物制氢和热化学制氢。微生物制氢是指微生物在常温差压的反应条件下发酵降解各种生物质同时产生氢气的过程，微生物的种类以及产氢机理的不同，分为暗发酵产氢、光发酵产氢、光解水产氢，其中微藻暗发酵产氢气主要是通过暗发酵，产氢的过程中不需要光照，产氢的过程中无氧气的生成，同时容易实现连续的产氢，所需的底物为微藻本身，不需要额外添加其他的物质。论文研究了靠近大陆架结构区域的具有渗透特性的沉积物中的微藻暗发酵过程中通过厌氧发酵过程产氢并产生溶解性无机碳，证实了沉积物中的微藻进行暗发酵是一种重要代谢途径，从而更好的了解生态系统中的碳矿化的分子途径以及氢气的代谢。


论文研究过程中使用了unisense氢气微电极测试了海洋沉积物中的氢气浓度，研究了含有不同组成的沉积物中对于微藻进行暗发酵过程中的氢气生成速率的影响，从而获取了关于在缺氧环境中微藻通过沉积物中的微藻实现了暗发酵产氢的过程的机制，在渗透性沉积物中的实现了通过微藻的暗发酵过程产氢实现了一种新的能源存储方式。这也说明unisense微电极系统在研究深海的海洋沉积物方面存在着很好的应用前景。