成果简介：
氢气作为一种清洁可再生能源，在未来的能源经济中将担任重要角色。但目前主要采用电解水制 H2 ，并没有从根本上解决清洁能源问题。然而，在生物制 H2 领域，一直存在产能低下的问题，急需寻求新的解决方案。在微藻制 H2 领域，由于微藻氢化酶对 O2 极其敏感，导致其产氢效率极低，是制约微藻产 H2 技术应用的瓶颈。菌和微藻在特定条件下能建立起共生关系且产 H2 量有显著提高。前期我们报道了兼性硫氧化还原菌和微藻共培养能持续高效的产 H2。后来发现好氧固碳硫氧化菌和微藻在特定条件下能建立起共生关系且产 H2 量有显著提高。而好氧固碳硫氧化菌产生的导电纳米线在其中起到了决定性作用。但对其机理研究还未见报道。因此，研究固碳细菌产生的导电纳米线及其在藻菌共生制 H2中的作用与机理具有很高的创新性和重要的应用价值。本研究首次将微藻光合-藻菌固碳-电子传递-共生生物制 H2 等现象和问题有机结合起来，为实现真正意义上的清洁可再生制氢提供理论支持。
技术特点及技术指标：
长期以来，绿色生物制 H2 一直存在产能低下的问题，急需寻求新的解决方案。微藻可以利用太阳能、二氧化碳、或者废水等产生 H2 气。因此，微藻光合固碳制 H2 法可望成为解决能源和环境危机的有效途径。目前造成微藻制 H2 技术效率低的主要原因有：第一，“光合产氧”和“厌氧产氢”之间的矛盾；第二，“缺硫产氢”和“生存需硫”之间的矛盾；第三，生长固碳与产氢竞争光电子之间的矛盾。细菌可以吸收微藻产生的氧气并调控硫代谢，从而解决了微藻制 H2 的前两个难题。细菌还可以与微藻竞争二氧化碳，减少微藻在光合固碳上的电子消耗，弥补微藻制氢技术的第三个短板。此外，共生体系还可能为菌藻间的胞外电子传递提供快速通道。因此，对纯菌-纯藻纳米线共生协同作用机理的研究，能将互营共生—光能—氢能—电能等热点和难点科学问题有机地结合起来。有望攻克微藻光合固碳产 H2 的技术难题，为绿色能源生产提供研究基础和理论支持。
应用领域：
氢气作为一种清洁无污染的可再生能源，它的能量含量很高，可以替代化石燃料。氢气在氢燃料电池中被高效的转换成电能，反应后的产物只有水，无污染。氢气将有可能作为未来能源的最主要来源，尤其是在氢燃料电池汽车和发电方面。
目前，制氢的技术主要有化学法和生物法两种途径。化学的方法制取氢气是较为成熟的技术，是工业用氢的主要来源。但是这种方法在生产过程中仍旧依赖于传统的化石燃料，而且其生产过程会消耗大量能量和造成一定的环境污染。另一种制取高纯氢气的主要技术是电解水制取氢气，约占目前氢气生产总量4%，该过程虽然摆脱了对化石燃料的依赖，但是其生产过程仍旧是以消耗大量电能为代价，而且反应过程的反应电极比较昂贵，条件比较严格。生物制氢就是利用微生物的生理代谢产生氢气的统称，主要利用太阳能或者废水、废渣等生产氢气，不仅可以有效地利用资源而且可以在环境友好的基础上实现能源的最大输出。
生物制氢的微生物主要有两类：非光合生物和光合生物，具体分为光合细菌、厌氧发酵细菌、真核藻类、蓝藻。一些光养微生物被认为是重要的科研对象， 目前正在探索提高生物氢产量。微藻制氢被认为是传统化石燃料的环保替代品。因此，微藻生物制氢法是解决当今世界能源危机、环境危机和粮食危机的重要途径之一，成为世界各国研究开发的热点，具有广阔的市场需求及产业化前景。我国“十四五”规划能源结构调整将碳达峰碳中和以及发展清洁作为重点支持的研究方向，因此加强对微生物固碳、清洁生物制氢技术的基础研究具有重要的战略意义。
投入需求：
目前主要是基础研究阶段。已经获得了国家基金和山东省基金的持续支持。
专利授权及申请情况：
1、国家发明专利：一种藻菌共培养提高绿藻产氢量的方法，专利号： ZL201711139565.8. 授权日期 2020 年 4 月 9 日（授权）
2、国家发明专利：微生物纳米线连接的细胞生物膜及其应用. 专利号： CN112794885A. 2021-05-14.（申请）
成果受资助及获奖情况：
1、国家自然科学基金面上项目，32070380，藻菌共培养相互作用及其促进衣藻 光合产氢效率的分子机理研究，2021-01 至 2024-12；
2 、山东省重点研发计划，2017GGX40114，藻菌共培养提高绿藻产率效率的关键 科学基础，2017-04 至 2019-03；
3 、山东省面上项目，ZR2022MC055，细菌和微藻共生固碳产氢体系的构建和机 理研究，2023-04 至 2025-12。
技术成熟程度：☑研制开发阶段
拟合作方式： ☑其他
