通过使用红藻生物量（Eucheuma spinosum）对外源梭菌属（Clostridium）进行生物强化，实现高产率的氢气生产

《Algal Research》：High-productivity hydrogen production via bioaugmentation of exogenous Clostridium species using a red algal biomass ( Eucheuma spinosum)

本研究采用动态膜生物反应器（DMBR）和Clostridium pasteurianum生物增强技术，显著提高了藻类生物质（Eucheuma spinosum）的连续产氢效率（HPR达33.3 L H?/L·d，HY为1.57 mol H?/mol己糖），抑制了丙酸和甲酸生成竞争途径，并通过增强多糖EPS形成有效维持菌群稳定。该策略为藻类生物质高效产氢提供了新方法。

　　

作者：Young-Bo Sim、Do-Yeon Kim、Hee-Won Cho、Sang-Hyoun Kim

韩国首尔延世大学土木与环境工程系，邮编03722

摘要

本研究利用动态膜生物反应器（DMBR），通过添加Clostridium pasteurianum来增强藻类生物质（Eucheuma spinosum）的氢气生产性能。在未添加微生物强化剂的条件下，生物氢气生产速率（HPR）和生物氢气产率（HY）分别从59.4 ± 3.0 L H₂/L-d和2.35 ± 0.14 mol H₂/mol己糖显著下降至15.6 ± 2.8 L H₂/L-d和0.73 ± 0.13 mol H₂/mol己糖。这一结果表明，藻类生物质不仅为细胞外聚合物物质（EPS）的组成（包括多糖-EPS和蛋白质-EPS）提供了原料，还改变了代谢途径，使得更多能量流向了产生氢气的途径而非不产生氢气的途径。而在添加了微生物强化剂的条件下，发酵器的性能显著改善，HPR和HY分别达到了33.3 ± 3.3 L H₂/L-d和1.57 ± 0.15 mol H₂/mol己糖。这说明微生物强化剂不仅增强了多糖-EPS的生成，还显著抑制了丙酸和甲酸的产生途径。此外，研究还发现，通过添加微生物强化剂和合成底物，可以有效地恢复性能下降的发酵器。该研究为利用Clostridium pasteurianum通过藻类生物质生产高产氢气提供了新的策略，对设计基于红藻生物质的暗发酵氢气生产系统具有实际意义。进一步优化针对EPS组成和竞争菌的微生物强化策略，有望实现更高效、可扩展的氢气生产。

引言

实现净零排放是一个全球性挑战，因为它需要同时解决气候、能源和经济问题，而绿色氢气被认为是实现净零排放的关键清洁能源[1],[2],[3]。尽管技术取得了显著进展，但由于绿色氢气生产高度依赖可再生能源且存在相关经济障碍，其商业化仍面临困难[5]。在这种情况下，暗发酵作为一种替代技术受到关注，因为它可以利用有机废物生产氢气[5]，并且无需可再生能源即可满足绿色氢气的认证标准[6]。然而，有机废物与合成底物在氢气生产性能上的差距仍是一个技术障碍，阻碍了其发展和商业化。

藻类生物质在光合作用过程中固定二氧化碳（CO₂），在生物降解过程中被视为生物源二氧化碳[7],[8]，因此利用藻类生物质进行暗发酵有助于实现碳中和目标。在藻类生物质资源中，Eucheuma spinosum富含基于己糖的多糖，已有大量研究致力于改进其生物降解性和去除抑制因素[9],[10]。这些努力使得Eucheuma spinosum的连续氢气生产率达到了21.58 L H₂/L-d，据作者所知，这是目前报道的最高值之一[11]。然而，在使用藻类生物质的暗发酵过程中，消耗氢气的细菌和非产氢细菌常常占据优势，导致发酵器性能下降，这成为需要克服的关键问题[11]。

厌氧污泥常被用作暗发酵的接种剂，因为它富含产氢菌属Clostridium，而热处理可以去除产甲烷菌和其他竞争菌[12]。然而，具有孢子形成特性的产氢和非产氢细菌难以通过热处理完全去除，它们会通过抑制Clostridium的活性来降低氢气生产性能。通过添加外源Clostridium菌株进行微生物强化是一种克服这些挑战的方法，即有意将选定的纯菌株添加到混合培养物中以增加其相对丰度和过程性能。例如，Poirier等人（2020年）的研究表明，在批次暗发酵中添加Clostridium acetobutylicum和Clostridium pasteurianum可以抑制混合培养物中的竞争菌，从而提高氢气产量[14]。另一项研究也表明，添加Clostridium butyricum可以改变代谢途径，促进氢气产生[14]。因此，外源Clostridium微生物强化可能成为解决暗发酵关键问题的有效策略，但其在藻类生物质连续生产中的应用尚未得到充分研究。

据作者所知，使用Clostridium pasteurianum的连续系统中，已报道的最高氢气生产率为175.9 L H₂/L-d，最高氢气产率为3.07 mol H₂/mol己糖[15],[16]。这些结果表明Clostridium pasteurianum是实现藻类生物质高产氢气的关键菌株。然而，在使用有机废物的连续暗发酵过程中，该菌株的应用较少见。因此，在有利初始条件下建立Clostridium pasteurianum的优势种群并保持其高丰度，对于实现高产氢气生产至关重要。

动态膜生物反应器（DMBR）通过利用支撑网上的生物膜作为过滤膜，能够维持高浓度的微生物[17]。这一特性有利于藻类生物质的有效生物降解。此外，DMBR通过减少微生物的流失，有助于长期保持微生物强化效果。因此，利用DMBR进行Clostridium pasteurianum微生物强化可能是实现藻类生物质高产氢气的有效操作策略。

本研究旨在探讨Clostridium pasteurianum微生物强化对藻类生物质氢气生产的影响。通过评估氢气生产性能、代谢途径分布和微生物群落动态，验证了该策略的可行性。这种方法为克服藻类生物质暗发酵的技术挑战提供了新的思路。

藻类生物质和原料制备

选择Eucheuma spinosum作为藻类生物质，并按照以下步骤进行水解和预处理[18]：首先用自来水清洗藻类生物质，然后在20-30°C下风干10天。将藻类生物质研磨至粒径小于0.3 mm，随后将粉末与硫酸以15%（w/v）的比例混合，在70 L高压反应器中于140°C和330 kPa条件下水解15分钟。

氢气生产性能

氢气生产性能监测了42天。表2总结了操作条件，图2展示了氢气生产速率（HPR）和氢气产率（HY）的日变化情况。在3小时的停留时间（HRT）下，系统处于准稳态（±10%），HPR为19.2 L H₂/L-d，HY为0.96 mol H₂/mol己糖。当HRT降至2小时时，第8天观察到颗粒形成现象。

结论

研究表明，Clostridium pasteurianum微生物强化是一种有效的策略，能够提高使用DMBR系统从藻类生物质连续生产氢气的性能。添加Clostridium pasteurianum后，通过抑制Megasphaera elsdenii和Selenomonas bovis等竞争菌，显著减缓了发酵器的性能下降。相比之下，未添加微生物强化剂时，氢气生产性能显著降低。

作者贡献声明

Young-Bo Sim：撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、数据可视化、方法论设计、概念构思。 Do-Yeon Kim：原始稿撰写、数据分析。 Hee-Won Cho：原始稿撰写、数据分析、项目监督、数据管理。

未引用参考文献

[4], [13], [41]

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府科学信息通信技术部提供，项目编号分别为RS-2023-00214281、RS-2024-00408787、RS-2025-00516334）。