研究簡介：暗發(fā)酵產(chǎn)氫氣是指產(chǎn)氧細菌和微藻等微生物在厭氧策的條件下將有機物降解為分子量較小的有機酸、乙酵等液相代謝產(chǎn)物的同時產(chǎn)生氫氣的過程，該過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，細菌和微藻在厭氧、沒有光照的條件下，降解有機物的同時產(chǎn)生氫氣。第二類為光發(fā)酵產(chǎn)氫氣，光合細笛在厭氧、光照的條件下，降解有機物的同時產(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)境中是如何通過沉積物中的微藻實現(xiàn)了暗發(fā)酵產(chǎn)氫的過程，從而在滲透性沉積物中的實現(xiàn)了通過微藻的暗發(fā)酵過程產(chǎn)氫實現(xiàn)了一種新的能源存儲方式。

unisense微電極研究系統(tǒng)應(yīng)用：

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

實驗結(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，沉積物中的有機類物質(zhì)是微藻類古菌或產(chǎn)氫細菌通過無氧暗發(fā)酵代謝的方式分解。我們分析一種流入式反應(yīng)實驗過程中發(fā)現(xiàn)海洋水體中產(chǎn)生的溶解性無機碳主要是厭氧真核生物的代謝活動產(chǎn)生的，同時在產(chǎn)生溶解性無機碳的同時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)生氫氣和無機碳的過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阻止這類厭氧真核生物代謝產(chǎn)氫的過程，這是因為甲硝唑會抑制厭氧真核生物內(nèi)的鐵原還蛋白氫化酶發(fā)酵產(chǎn)氫過程，代謝組學(xué)分析表明在缺氧情況下，由于微藻的無氧暗發(fā)酵導(dǎo)致脂質(zhì)類物質(zhì)的濃度迅速增加。細胞計數(shù)法實驗揭示了沉積物中的微藻在缺氧代謝產(chǎn)氫的優(yōu)勢，這也說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存途徑。

圖1、FTR實驗過程中的代謝測試。測試的沉積物來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，溶解性無機碳（DIC），亞硝酸鹽及氮氣（以N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)境和無氧環(huán)境中溶解性無機碳的生成量以及不含硝酸鹽的沉積物中在有含氧環(huán)境和無氧環(huán)境中溶解性無機碳的生成量。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的溶解性無機碳的產(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)酵過程中的氫氣生產(chǎn)率的影響。圖a和圖b中的實線和虛線則分別表示的是環(huán)境體系由無氧環(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)丙沙星加入后過程的分界線。圖c沉積物進行暗發(fā)酵代謝過程中產(chǎn)生的代謝物的量與產(chǎn)生的氫氣的量的比值。圖d表示的是使用五個微藻樣品在沉積物中進行培養(yǎng)后暗發(fā)酵過程中的不同時間段所產(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)同時產(chǎn)生氫氣的過程，微生物的種類以及產(chǎn)氫機理的不同，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)氫氣主要是通過暗發(fā)酵，產(chǎn)氫的過程中不需要光照，產(chǎn)氫的過程中無氧氣的生成，同時容易實現(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)酵過程中通過厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)氫并產(chǎn)生溶解性無機碳，證實了沉積物中的微藻進行暗發(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。

論文研究過程中使用了unisense氫氣微電極測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于微藻進行暗發(fā)酵過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)境中微藻通過沉積物中的微藻實現(xiàn)了暗發(fā)酵產(chǎn)氫的過程的機制，在滲透性沉積物中的實現(xiàn)了通過微藻的暗發(fā)酵過程產(chǎn)氫實現(xiàn)了一種新的能源存儲方式。這也說明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。