综述：木质纤维素生物质暗发酵技术的进展：通过创新与整合释放潜力

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Advancement on dark fermentation of lignocellulosic biomass: unlocking potential through innovation and integration

氢能生产中，暗发酵技术利用木质纤维素生物质通过厌氧微生物转化为氢气，具有成本低、适用广的特点，但存在氢产量低和抑制剂干扰等问题。本文系统综述了预处理工艺优化、抑制剂去除策略、操作参数调控及微生物固定化/代谢工程等创新方法，并探讨与光发酵、生物电化学系统等耦合工艺及副产物资源化利用的集成生物炼制模式。

　　

作者：Chahak Jain、Monica Sachdeva Taggar、Amanpreet Kaur、Sahibleen Kaur、Anu Kalia、Sandip Gangil

印度旁遮普邦卢迪亚纳-141004，旁遮普农业大学基础科学与人文学院生物化学系

摘要

氢被视为未来的高效燃料，因为它不产生碳排放，并且可以通过生物过程从可再生资源中可持续地生成。生物制氢通过依赖光的机制（如生物光解和光发酵）以及不依赖光的机制（如暗发酵）由微生物完成。每种方法在能源效率和实用性方面都有其优缺点；然而，由于暗发酵的成本效益及其能够降解多种底物的能力，它仍然是研究的主要焦点。尽管如此，低氢产量和转化效率仍然是生物制氢的主要限制因素，阻碍了其大规模应用。本文探讨了木质纤维素生物质作为暗发酵潜在原料的潜力，以及其预处理方法和在此过程中产生的抑制剂的处理方法。此外，还讨论了提高生物氢生产力的先进策略，包括微生物固定化技术、通过代谢工程提高菌株效率、纳米添加剂的应用、暗发酵与光发酵的结合，以及利用暗发酵废液生产增值产品的方法。

引言

世界对化石燃料的依赖是不可持续的，因为这些资源是有限的，并且会释放有害的温室气体，如二氧化碳（CO₂）和氮氧化物（NO_x），这是全球变暖和环境污染的主要原因（Elegbeleye等人，2025年）。目前化石燃料占世界能源供应的约85%，因此完全替代它们具有挑战性。然而，开发环保和可持续的替代品有助于减少化石燃料消耗和总体CO₂排放（Gupta，2024年）。一种有前景的方法是从生物质和有机废物中生成生物燃料，这项技术能够生产生物柴油、生物甲烷、生物氢（BioH₂）、沼气以及生物乙醇。其中，BioH₂因其显著的技术、经济和环境优势而受到全球关注（Karduri等人，2025年）。氢具有最高的热值、快速的燃烧能力、单位质量的高热值（142 kJ/g）和高辛烷值。最重要的是，其燃烧产物仅为水（Jain，2024年）。氢已广泛用于石油和煤炭精炼、氢化以及氨和甲醇的合成（Jankovic和Wilkinson，2025年）。此外，它还可以通过燃料电池技术用于发电，能量转换效率约为60%（Pashchenko，2024年）。这些特性使氢成为未来的理想能源载体，前提是其生产能够通过使用可再生资源实现可持续性。然而，目前大多数氢是从不可再生资源（如煤炭、原油、石脑油和天然气）中生产的。大约96%的H₂是通过热化学方法生产的，尽管这一过程能耗很高。而只有约4%的H₂是通过水电解产生的（Albuquerque等人，2024年）。此外，在氢生产过程中会释放大量有害气体和污染物，包括灰分、放射性物质和重金属。

为了使这一过程可行，生物废物可以被视为一种潜在的原料，因为它丰富且未得到充分利用。这类生物废物可能来源于市政、农业和工业废水以及其他有机废物流（Sahil等人，2024年）。选择合适的生物废物是确保氢生产可持续性的关键因素。在各种选项中，木质纤维素生物质因其高碳水化合物含量、广泛的可获得性和低成本而被视为优越的原料。通过包括机械、化学和生物方法在内的预处理方法，这种生物质的纤维素和半纤维素成分可以水解为简单的糖类（Millati等人，2020年）。随后，这些糖类被微生物通过两种异养途径代谢为氢：由光合细菌进行的光发酵，以及由厌氧细菌进行的暗发酵（DF），后者将碳水化合物转化为BioH₂（Ghimire等人，2015年）。暗发酵具有几个独特优势，使其比光发酵更受欢迎。它不需要特殊的光源，因此可以在整个过程中连续产生氢。该过程能耗较低，产氢速率较高。此外，它具有成本效益，因为可以利用多种有机生物质。最后，生物反应器的设计相对简单，甚至现有的生物反应器也可以用于此目的（Cao等人，2022c）。尽管DF被认为是最实用的生物制氢方法，但它仍限于实验室和试点规模的应用。主要挑战在于其低氢产量，这取决于多个因素，包括DF生物反应器设计和操作的优化、接种物富集策略（如选择或改进特定菌株）以及底物预处理，所有这些对于实现工业规模的生产都至关重要（Chandran和Mohan，2023年）。各种策略正在获得重视，以提高氢产量，例如将DF与光发酵（PF）或生物电化学系统结合、耦合氢和甲烷生产，或利用DF废液生产增值产品。此外，一些研究探索了先进的方法，包括选定菌株的代谢工程、发酵过程中添加纳米颗粒以及应用固定化技术来提高氢产量；然而，综合评估这些策略的研究仍然有限。

本文旨在揭示最近在木质纤维素生物质暗发酵（DF）过程中提高氢产量的进展。该综述提供了关于先进预处理方法及其整合的见解，以改善复杂木质纤维素聚合物的水解，从而促进其高效转化为可发酵糖类。还讨论了抑制剂的形成及其缓解策略，以及暗发酵过程中的操作参数的影响。此外，还讨论了提高氢生产力的先进策略，包括固定化技术、通过代谢工程改进菌株、应用纳米颗粒提高氢产量。最后，本文还提供了关于在集成方法中利用DF废液的见解，如顺序暗发酵和光发酵、微藻生物精炼、混合生物电化学系统、微生物电解池和耦合甲烷-氢生产。总体而言，该综述详细评估了通过DF生产BioH₂的过程，并为考虑将发酵BioH₂生产作为现有技术补充的研究人员提供了有价值的见解。

章节片段

暗发酵——一种有前景的氢生产方法

暗发酵是一种厌氧微生物过程，其中碳水化合物（如己糖和戊糖）被转化为氢和有机酸。它由异养微生物（包括兼性和专性厌氧菌）进行，这些微生物通过氢化酶的催化作用处理多余的电子，从而生成分子氢（H₂）（García-Depraect等人，2025年）。当多种微生物群落共存时，暗发酵与厌氧消化过程重叠

用于暗发酵的木质纤维素生物质

底物的选择是影响氢产量、生产速率和DF过程整体效率的关键因素。可再生生物质具有双重优势：它为氢生产提供了可持续的原料，同时支持农业废物的价值化并减少环境污染（Chandran和Mohan，2023年）。

在研究的各种原料中，农业残留物由于其广泛的可获得性而被认为是最有前景的

木质纤维素生物质的预处理

预处理是BioH₂生产中的关键步骤，因为它破坏了复杂的木质纤维素结构，提高了可发酵糖类的释放，从而有利于微生物发酵。已经开发了多种预处理策略，如物理、化学、生物和综合方法，以提高水解效率并最大化后续DF的糖类可用性，从而提高氢产量。所有预处理技术的优缺点已得到研究

抑制剂的去除：水解物的解毒技术

木质纤维素水解物的解毒是指去除或减少在木质纤维素生物质预处理过程中形成的抑制剂，以提高其用于BioH₂生产的可发酵性（Gyan等人，2024年）。在预处理过程中，生物质在高温高压下用酸或碱处理，以将纤维素和半纤维素分解为糖单元（Tanaka等人，2019年；Casta?o等人，2015年；Nuwamanya等人，2015年）。然而，这种处理

操作参数的优化

通过DF生产氢的效率受多个相互依赖的因素影响，包括pH值、温度、水力停留时间（HRT）、接种物类型、营养物质可用性和氢离子浓度（Taggar等人，2024年）。其中，pH值在微生物活性和氢化酶功能中起着关键作用。最佳的pH范围为5.5至7.0，有利于产酸菌的生长，并防止向产溶剂菌或产甲烷菌途径的转变。然而，挥发性物质的积累

微生物固定化技术

固定化技术在DF BioH₂生产中受到了广泛关注，因为它们能够在生物反应器内保持高浓度的微生物细胞（Cheng等人，2022年）。固定化为实现更可持续和更具成本效益的BioH₂生产过程提供了途径，因为它提高了微生物稳定性，增强了底物利用，并确保了稳定的氢产量（Sekoai等人，2020年；Albuquerque等人，2024年）。除了这些优势外，固定化

集成生物精炼方法：超越氢生产

DF废液中的残余有机组分（含有VFAs或溶剂）在处理过程中是一个主要问题，也是环境污染的原因之一。这些残余有机组分可以用于生成生物能源和生物基产品的二次过程，从而使暗发酵过程成为一种可行且环保的选择。二次过程包括甲烷生成、光生物过程（Laurinavichene等人，2012年）微生物

挑战与未来前景

暗发酵是目前研究最多的BioH₂生产途径，但其实际潜力受到根本性瓶颈的限制。主要挑战是低氢产量，这主要是由于挥发性脂肪酸（VFAs）的积累，导致pH值下降并使代谢流向偏离氢生成。此外，木质纤维素生物质的预处理对于提高底物可利用性至关重要，但往往能耗高且成本高昂

结论

生物制氢代表了一种可再生和环保的能源系统，因为在生产和燃烧过程中都不会造成污染。在各种生物途径中，暗发酵因其简单性、高氢产量以及能够利用多种有机底物而受到广泛关注。木质纤维素生物质因其可再生性、可持续性和广泛的可获得性而成为生产BioH₂的有希望的原料。

CRediT作者贡献声明

Sandip Gangil：撰写——审稿与编辑、可视化、资金获取。Anu Kalia：撰写——初稿、监督、项目管理。Sahibleen Kaur：撰写——初稿、项目管理、方法学。Chahak Jain：撰写——初稿、可视化、验证、监督、项目管理、方法学、概念化。Amanpreet Kaur：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学。Monica Sachdeva Taggar：撰写

未引用的参考文献

Bundhoo, 2017; Gupta等人，2024; Jain等人，2024; Kadier等人，2014; Karduri和Ananth，2025; Mechery等人，2021; Morsy，2017; Nuwamanya等人，2012; Rao和Basak，2022; Reddy等人，2017; Sharma和Li，2010; Tran和Nguyen，2022; Zhang等人，2020.

数据可用性声明

本研究期间生成和/或分析的数据集可根据合理请求向相应作者索取。

伦理批准

不适用

资金

作者没有需要披露的相关财务利益。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者衷心感谢印度农业研究委员会（ICAR）在农业能源研究联盟平台（CRP on EA）项目下提供的支持。