研究簡(jiǎn)介：暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣是指產(chǎn)氧細(xì)菌和微藻等微生物在厭氧策的條件下將有機(jī)物降解為分子量較小的有機(jī)酸、乙酵等液相代謝產(chǎn)物的同時(shí)產(chǎn)生氫氣的過(guò)程，該過(guò)程不需要外界輸入光能。微生物制氫一般可以分為三類。第一類為暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣，細(xì)菌和微藻在厭氧、沒(méi)有光照的條件下，降解有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生氫氣。第二類為光發(fā)酵產(chǎn)氫氣，光合細(xì)笛在厭氧、光照的條件下，降解有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生氫氣。第三類為光解水產(chǎn)氫氣，微藻在厭氧、光照的條件下，直接光解水產(chǎn)生氫氣。本論文主要是研究了沉積物在缺氧環(huán)境中是如何通過(guò)沉積物中的微藻實(shí)現(xiàn)了暗發(fā)酵產(chǎn)氫的過(guò)程，從而在滲透性沉積物中的實(shí)現(xiàn)了通過(guò)微藻的暗發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)氫實(shí)現(xiàn)了一種新的能源存儲(chǔ)方式。

unisense微電極研究系統(tǒng)應(yīng)用：

應(yīng)用了unisense微電極測(cè)試了沉積物中氫氣的含量。其中的氫氣微電極在使用前進(jìn)行了常規(guī)的兩點(diǎn)校正做出標(biāo)準(zhǔn)曲線。氫氣微電極應(yīng)用于測(cè)試海床沉積物不同深度處的氫氣濃度，用于檢測(cè)跟蹤沉積物中的產(chǎn)氫細(xì)菌暗發(fā)酵過(guò)程中的產(chǎn)生的氫氣濃度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

海洋中的滲透性沉積物是分布在海洋大陸架區(qū)域的一種沉積物，該類沉積物對(duì)于海洋地球生物化學(xué)循環(huán)至關(guān)重要，沉積物中的有機(jī)類物質(zhì)是微藻類古菌或產(chǎn)氫細(xì)菌通過(guò)無(wú)氧暗發(fā)酵代謝的方式分解。我們分析一種流入式反應(yīng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)海洋水體中產(chǎn)生的溶解性無(wú)機(jī)碳主要是厭氧真核生物的代謝活動(dòng)產(chǎn)生的，同時(shí)在產(chǎn)生溶解性無(wú)機(jī)碳的同時(shí)伴隨著大量的溶解性氫氣的生成。這類厭氧真核的生物的代謝產(chǎn)生氫氣和無(wú)機(jī)碳的過(guò)程能夠抵抗廣譜的殺菌抗生素，但是甲硝唑類抗生素加入會(huì)阻止這類厭氧真核生物代謝產(chǎn)氫的過(guò)程，這是因?yàn)榧紫踹驎?huì)抑制厭氧真核生物內(nèi)的鐵原還蛋白氫化酶發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程，代謝組學(xué)分析表明在缺氧情況下，由于微藻的無(wú)氧暗發(fā)酵導(dǎo)致脂質(zhì)類物質(zhì)的濃度迅速增加。細(xì)胞計(jì)數(shù)法實(shí)驗(yàn)揭示了沉積物中的微藻在缺氧代謝產(chǎn)氫的優(yōu)勢(shì)，這也說(shuō)明海洋沉積物中的微藻的暗發(fā)酵產(chǎn)氫是一種重要的能源儲(chǔ)存途徑。

圖1、FTR實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的代謝測(cè)試。測(cè)試的沉積物來(lái)自于澳大利亞菲利普港灣（a,c,d），以及丹麥的凱特明訥峽灣。圖a,b表示的是沉積物中的氧氣的消耗，溶解性無(wú)機(jī)碳（DIC），亞硝酸鹽及氮?dú)猓ㄒ訬表示）的生產(chǎn)量。圖C表示的是硝酸鹽的沉積物中在有含氧環(huán)境和無(wú)氧環(huán)境中溶解性無(wú)機(jī)碳的生成量以及不含硝酸鹽的沉積物中在有含氧環(huán)境和無(wú)氧環(huán)境中溶解性無(wú)機(jī)碳的生成量。圖d表示的是在缺氧環(huán)境中沉積物中含有阿莫西林或氯化汞時(shí)的溶解性無(wú)機(jī)碳的產(chǎn)出量。

圖2、滲透性的沉積物中氫氣和代謝物的生產(chǎn)。圖a表示的是沉積物中硝酸鹽對(duì)氫氣生產(chǎn)率的影響。圖b表示的是甲硝噠唑?qū)τ诔练e物中的微藻的暗發(fā)酵過(guò)程中的氫氣生產(chǎn)率的影響。圖a和圖b中的實(shí)線和虛線則分別表示的是環(huán)境體系由無(wú)氧環(huán)境變?yōu)橛醒醐h(huán)境以及體系加入環(huán)丙沙星前和環(huán)丙沙星加入后過(guò)程的分界線。圖c沉積物進(jìn)行暗發(fā)酵代謝過(guò)程中產(chǎn)生的代謝物的量與產(chǎn)生的氫氣的量的比值。圖d表示的是使用五個(gè)微藻樣品在沉積物中進(jìn)行培養(yǎng)后暗發(fā)酵過(guò)程中的不同時(shí)間段所產(chǎn)生的氫氣的濃度變化情況。

圖3、滲透性沉積物中底棲藻類代謝的概念模型。在這個(gè)充滿活力的環(huán)境中，沉積物的再懸浮以及漣漪遷移導(dǎo)致大量的藻類進(jìn)入到缺氧及暗光線環(huán)境的沉積物中，在這樣的條件下，微藻類物質(zhì)進(jìn)行暗發(fā)酵后高速率的生成氫氣和脂質(zhì)化合物。體系中的酶是PFR（丙酮酸鐵氧還蛋白氧化還原酶）和（FDX）鐵氧化還原蛋白。淡色的陰影區(qū)域代表的是沉積物中氧氣濃度下降分布區(qū)域，黃色的區(qū)域代表的是缺氧的滲透性沉積物。

總結(jié)：

生物質(zhì)制氫途徑主要包括微生物制氫和熱化學(xué)制氫。微生物制氫是指微生物在常溫差壓的反應(yīng)條件下發(fā)酵降解各種生物質(zhì)同時(shí)產(chǎn)生氫氣的過(guò)程，微生物的種類以及產(chǎn)氫機(jī)理的不同，分為暗發(fā)酵產(chǎn)氫、光發(fā)酵產(chǎn)氫、光解水產(chǎn)氫，其中微藻暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣主要是通過(guò)暗發(fā)酵，產(chǎn)氫的過(guò)程中不需要光照，產(chǎn)氫的過(guò)程中無(wú)氧氣的生成，同時(shí)容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)的產(chǎn)氫，所需的底物為微藻本身，不需要額外添加其他的物質(zhì)。論文研究了靠近大陸架結(jié)構(gòu)區(qū)域的具有滲透特性的沉積物中的微藻暗發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)厭氧發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)氫并產(chǎn)生溶解性無(wú)機(jī)碳，證實(shí)了沉積物中的微藻進(jìn)行暗發(fā)酵是一種重要代謝途徑，從而更好的了解生態(tài)系統(tǒng)中的碳礦化的分子途徑以及氫氣的代謝。

論文研究過(guò)程中使用了unisense氫氣微電極測(cè)試了海洋沉積物中的氫氣濃度，研究了含有不同組成的沉積物中對(duì)于微藻進(jìn)行暗發(fā)酵過(guò)程中的氫氣生成速率的影響，從而獲取了關(guān)于在缺氧環(huán)境中微藻通過(guò)沉積物中的微藻實(shí)現(xiàn)了暗發(fā)酵產(chǎn)氫的過(guò)程的機(jī)制，在滲透性沉積物中的實(shí)現(xiàn)了通過(guò)微藻的暗發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)氫實(shí)現(xiàn)了一種新的能源存儲(chǔ)方式。這也說(shuō)明unisense微電極系統(tǒng)在研究深海的海洋沉積物方面存在著很好的應(yīng)用前景。