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

使用富含乙酸鹽的發(fā)酵罐流出物生產(chǎn)無(wú)需 S 控制的可再生藻類照片 H2

來(lái)源：International Journal of Hydrogen Energy Volume 46, Issue 2, 6 January 2021, Pages 1740-1751

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

本研究提出一種無(wú)需硫（S）剝奪的新型藻類光解制氫策略，通過(guò)調(diào)控乙酸鹽/氯離子（Acetate/Cl?）比例實(shí)現(xiàn)持續(xù)產(chǎn)氫：

 

核心機(jī)制：當(dāng)乙酸鹽/Cl?比例 >150 時(shí)，乙酸鹽競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合PSII放氧復(fù)合體（OEC）的Cl?位點(diǎn)，抑制氧氣釋放（圖1），激活氫酶（HydA）產(chǎn)氫（圖3）。

 

 

 

產(chǎn)氫性能：在富含乙酸鹽的發(fā)酵廢水中，C. sorokiniana和C. reinhardtii分別實(shí)現(xiàn)15天持續(xù)產(chǎn)氫~80 μmol/L和~95 μmol/L（圖5）。

 

 

分子機(jī)制：分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD）證實(shí)乙酸鹽破壞PSII中Yz-His190氫鍵（圖2），阻斷質(zhì)子傳遞路徑，抑制放氧。

 

 

2. 研究目的

 

替代傳統(tǒng)硫剝奪法：驗(yàn)證乙酸鹽/Cl?比例調(diào)控能否替代人工硫/氯剝奪，實(shí)現(xiàn)自然水體（如廢水）中的藻類持續(xù)產(chǎn)氫。

 

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

 

工程化驗(yàn)證：利用實(shí)際發(fā)酵廢水（富含乙酸鹽）驗(yàn)證連續(xù)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(diào)控乙酸鹽/Cl?比例（47–560），以發(fā)酵廢水為底物，在光生物反應(yīng)器（PBR）中運(yùn)行。

 

多尺度驗(yàn)證：

 

生理層面：Unisense微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)O?/H?濃度（圖1,3,4,5），測(cè)定葉綠素、氫酶活性（圖3）。

 

分子層面：MD模擬乙酸鹽對(duì)PSII中Yz-His190氫鍵的影響（圖2）。

 

工程驗(yàn)證：15天連續(xù)PBR運(yùn)行（圖5）。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

(1) 乙酸鹽/Cl?比例調(diào)控放氧（圖1）

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：Unisense O?微電極（OX10）監(jiān)測(cè)反應(yīng)器頂空O?濃度。

 

發(fā)現(xiàn)：

 

乙酸鹽/Cl? >150時(shí)，O?完全耗盡（24小時(shí)內(nèi)）；比例>300時(shí)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(shù)。

 

(2) 分子機(jī)制：乙酸鹽破壞Yz-His190氫鍵（圖2）

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：MD模擬PSII的D1/D2亞基（PDB:5MX2）。

 

發(fā)現(xiàn)：

 

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

 

高乙酸鹽濃度模擬結(jié)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(jī)制，為靶向設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

 

(3) 產(chǎn)氫性能與氫酶活性（圖3）

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：Unisense H?微電極（H2-NP）監(jiān)測(cè)H?濃度，生化法測(cè)HydA活性。

 

發(fā)現(xiàn)：

 

乙酸鹽/Cl?=150時(shí)，最大產(chǎn)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(chǎn)氫量與HydA活性正相關(guān)（R2>0.95）。

 

意義：證實(shí)產(chǎn)氫依賴光合作用（非發(fā)酵途徑），HydA是限速酶。

 

(4) 光合作用依賴性驗(yàn)證（圖4）

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：PSII抑制劑DCMU處理，黑暗對(duì)照。

 

發(fā)現(xiàn)：

 

DCMU或黑暗條件下無(wú)H?產(chǎn)生（圖4a-b），O?耗盡也不觸發(fā)產(chǎn)氫。

 

意義：排除發(fā)酵途徑貢獻(xiàn)，確立光解制氫的主導(dǎo)地位。

 

(5) 發(fā)酵廢水連續(xù)產(chǎn)氫（圖5）

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：連續(xù)PBR運(yùn)行15天，Unisense電極監(jiān)測(cè)H?/O?。

 

發(fā)現(xiàn)：

 

乙酸鹽/Cl?=150時(shí)，兩藻種持續(xù)產(chǎn)氫15天（均值82–106 μmol/L），生物量穩(wěn)定（0.54–0.76 g/L）（圖5a,d）。

 

意義：驗(yàn)證實(shí)際廢水應(yīng)用的可行性，突破傳統(tǒng)硫剝奪法的工程限制。

 

5. 核心結(jié)論

 

乙酸鹽/Cl?比例是放氧開關(guān)：比例>150時(shí)，乙酸鹽競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合OEC的Cl?位點(diǎn)，抑制放氧并激活產(chǎn)氫。

 

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

 

廢水應(yīng)用可行：發(fā)酵廢水（乙酸鹽/Cl?=150）支持15天連續(xù)產(chǎn)氫，為廢水-能源聯(lián)產(chǎn)提供新路徑。

 

藻種差異：C. sorokiniana產(chǎn)氫速率更高，但C. reinhardtii長(zhǎng)期穩(wěn)定性更優(yōu)。

 

6. 丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

技術(shù)原理與方法

 

設(shè)備型號(hào)：Unisense H?-NP和OX10微電極，分別檢測(cè)H?和O?。

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

 

電極置于反應(yīng)器頂空，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體濃度（非侵入式）。

 

兩點(diǎn)校準(zhǔn)：空氣飽和水（O?校準(zhǔn)）和N?環(huán)境（H?零點(diǎn)）。

 

秒級(jí)分辨率捕捉O?消耗與H?積累動(dòng)態(tài)（圖1,3,5）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義

 

動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)O?/H?：

 

O?清除閾值：乙酸鹽/Cl?>150時(shí)，O?濃度24小時(shí)內(nèi)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(fā)O?耗盡的臨界值，推翻"硫剝奪不可替代"的認(rèn)知。

 

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

 

工藝優(yōu)化依據(jù)：

 

產(chǎn)氫速率量化：Unisense數(shù)據(jù)直接計(jì)算產(chǎn)氫速率（0.20–0.38 μmol/L/min），為反應(yīng)器放大提供參數(shù)。

 

抑制劑驗(yàn)證：DCMU處理后H?未檢出（圖4），排除非光合路徑貢獻(xiàn)。

 

工程應(yīng)用價(jià)值：

 

連續(xù)運(yùn)行監(jiān)控：15天數(shù)據(jù)（圖5a）顯示H?穩(wěn)定產(chǎn)出，O?始終未檢出，證實(shí)工藝魯棒性。

 

廢水適配性：發(fā)酵廢水（高乙酸鹽）中電極數(shù)據(jù)與合成培養(yǎng)基一致，驗(yàn)證技術(shù)普適性。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

 

高靈敏度：檢測(cè)限0.05 μmol/L（H?），精準(zhǔn)捕捉低濃度生物氣體。

 

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)：秒級(jí)分辨率揭示O?耗盡與H?產(chǎn)生的時(shí)序關(guān)系（圖3）。

 

非破壞性：頂空監(jiān)測(cè)避免干擾藻細(xì)胞代謝，保障數(shù)據(jù)真實(shí)性。

 

總結(jié)

 

本研究通過(guò)整合Unisense微電極技術(shù)與分子模擬，突破藻類制氫的傳統(tǒng)硫剝奪瓶頸：

 

機(jī)制創(chuàng)新：乙酸鹽/Cl?比例 >150 時(shí)，乙酸鹽競(jìng)爭(zhēng)性抑制PSII放氧（圖1），激活氫酶產(chǎn)氫（圖3）。

 

技術(shù)貢獻(xiàn)：Unisense電極提供O?/H?動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的直接證據(jù)（圖1,3,5），量化產(chǎn)氫速率并驗(yàn)證光合依賴性（圖4）。

 

應(yīng)用前景：發(fā)酵廢水連續(xù)產(chǎn)氫15天（圖5）驗(yàn)證"廢水-能源"聯(lián)產(chǎn)可行性，為可持續(xù)制氫提供新范式。丹麥Unisense電極的高精度氣體監(jiān)測(cè)是機(jī)制解析與工藝優(yōu)化的基石。