陈意民教授，EES观点：微藻光生物制氢的全球潜力

微藻光生物制氢的全球潜力

第一作者和通讯作者：陈意民*

单位：厦门大学

氢气是一种高密度和清洁的能源载体，具有缓解全球气候变化的巨大潜力。基于微藻的光生物制氢代表了目前一种可持续和远大前景的绿氢生产路径，有助于减少我们对化石能源的依赖和构建零碳地球。该领域的前沿科学研究持续性地吸引着越来越多的注意，尤其是它大规模生产的可行性。

当前科学家们已经发现了微藻光生物制氢的多个代谢路径以及提高效率的机制和方法，但是都各具有优缺点。得益于庞大科学届的不懈努力，我们逐渐获得了一些先进技术的突破性进展，提出了富有建设性的解决方案，为实现连续性的微藻光生物制氢提供了大量的机会。

要点一：微藻具有潜在更高水平的理论光生物制氢极限值

基于理论假设，理论的光生物制氢极限值决定了微藻光生物代谢路径过程中可能产生的氢气最大值，这有助于我们理解和发现关键技术瓶颈，并通过科学的手段来尽量缩小理论和实际的差距。这个极限值的产生主要是由于一系列的能量传递损失，包括光分布、光子吸收效率、光子传递效率和能量生物化学转化等。在经过一些列的能量损失后，传统的理论假设认为微藻光生物制氢的能量效率最高为13.4%。

除了外界环境中光谱分布、光反射和折射等物理影响因素外，微藻的光捕捉天线对光能的吸收转换效率起到了一个至关重要的作用。在自然环境中，微藻往往处于光能过剩且随时间空间高度变化的环境中。因此，当前的微藻光捕捉天线系统截断技术或动态天线调节技术，因为具有减少或绕过非光化学能量损失的可能，赋予了微藻更高光能利用效率（达到16.9%）的可能性。现有研究发现，这些技术的应用不仅可以提高生物量30-60%以上，而且可以大幅度提升氢气的产量。

一些绿藻和蓝藻由于含有[FeFe]-氢化酶、[NiFe]- 氢化酶或固氮酶而具有天然光合成氢气的能力。目前已发现至少有三种主要的不同光生物产氢路径并具有不同的能量转化效率，这主要取决于微藻的种质属性和光合系统效率。不管哪种产氢代谢路径，氧气抑制和吸氢现象是影响微藻产氢效率甚至无法连续产氢的两大主要因素。

常规采用的方法包括缺硫、缺氮、缺磷、缺镁、消除氧、抑制光和系统等。然而这些方法也都各具有其优缺点，现有的前沿技术已经发现了几种潜在可靠的解决方法，有望带来持续性产氢的效果。

大约在二十多年前，首个微藻光生物制氢进行了室外实验，采用了一种丝状异胞蓝藻Anabaena variabilis作为实验模型。在构建了一套基于计算机控制的4.35L单元管道式光生物反应器后，产氢效率和光能转化率分别达到了1.1 L每天和0.094%。尽管这个效率非常低，但是该试验给出了几个关键的影响因素。

此后，越来越多的科学家们开始尝试更大规模的室外实验，尽管效率与实验室内相比仍然有一定的差距。根据近年来技术和策略的突破性进展，文章提出了一种创新的微藻培育模式，有望达到持续性的产氢，促进该技术的商业化。同时，该模式还与当前全球最大的光伏产氢工厂进行对比，对未来微藻光生物产氢的商业化道路提供了一个标杆。

对微藻光生物制氢的全球各区域潜在产力进行评估，这毫无疑问是非常吸引人的一项工作。当前的全球产力评估模型主要用于微藻油脂和生物质产力，并且已经越来越细化，甚至多达20多个影响参数的输入，使得评估越来越准确，但也使得评估越来越复杂。

文章基于“太阳光板”理论对评估进行了简化，根据假设的能量转化效率，绘制了全球季节性变化微藻光生物制氢图，当实际能量转化效率发生变化时，该图可以简单的进行修正，所获得的结果与其他方法差异不大。文章进一步评估和分析了全球几大重要国家和城市采用微藻光生物制氢100%替代其传统交通能源消耗的可能性。

未来，我们需要投入更多的努力去探索新技术，以期进一步提高实验室内和室外大规模应用的能量转化效率。与传统光合自养型微藻养殖设施一样，几个关键的影响因素需要重点考虑来维持有效的产氢能力，包括温度、光照分布、pH、微藻浓度、氧气分压和叶绿素含量等。在未来，氢能的广泛应用离不开有效和安全的储氢材料。

具有高体积和重力密度的储氢材料是未来氢气经济时代的关键因素之一，尽管同样也是众多瓶颈技术之一，需要进一步攻克。总之，微藻光生物制氢的最前沿技术已经为我们点燃起了未来新能源领域燎原的星火，这些先进技术的整合或集成可能也会进一步带来技术的进步。

Global potential of algae-based photobiological hydrogen production

https://doi.org/10.1039/D2EE00342B

陈意民老师简介：2009年硕士毕业于上海交通大学环境学院，博士师从英国谢菲尔德大学生物化工学院Dr. Raman Vaidyanathan，随后在自然资源部第三海洋研究所从事博士后研究工作，现为厦门大学产业技术研究院环境与生态工程技术中心副主任。长期从事碳中和和气候变化、可再生能源、环境污染治理与生态修复以及资源综合利用技术的研究和开发。

以第一作者或通讯作者身份在Energy & Environmental Science、Trends in Plant Science、Applied Energy、Science of the Total Environment和Critical Reviews in Biotechnology 等国际一流学术刊物上发表多篇学术研究论文。至今已申请和授权了十多项国家专利，核心专利获得了中国专利优秀奖，并长期活跃于各类创新创业大赛中，屡获殊荣。