氫氣是一種清潔能源，是下一代新能源汽車的動力燃料，有著極為廣泛的應用前景。微生物產氫是重要的生產途徑之一，屬于綠色制造的新興發展領域，用以支撐經濟和社會的可持續發展。

　　中國科學院煙臺海岸帶研究所“電能微生物學”研究團隊，通過熱處理耦合納米水鐵礦(Nano-ferrihydrite)添加的方法，分別從黃河三角洲濱海濕地、天鵝湖和渤海沉積物等樣品中定向富集分離獲得了若干具有電化學活性的發酵型異化鐵還原菌菌株，已獲發明專利授權。研究發現，納米水鐵礦被還原的過程顯著改變了微生物群落結構及其代謝途徑，同時提高了碳代謝和產氫效率（如圖1所示）。

　　此外，研究以產氫菌株為研究對象，通過轉錄組學、電化學、酶學和化學計量分析等方法，揭示了異化鐵還原過程促進產氫菌株富集并提高碳代謝和產氫效率的機制。研究發現，納米水鐵礦中的鐵還原過程與發酵過程相耦聯，使得產氫反應在熱力學上相對更加容易發生；鐵還原過程會接受電子，從而改變碳流和電子流的方向，產生更多氫氣；納米水鐵礦還能夠調控菌株基因表達，二組分系統（TCS）、葡萄糖磷酸轉移系統（PTS）、NADH脫氫酶和氫化酶等基因均被不同程度地被上調表達；此外，鐵還原過程還能夠消耗質子，緩解發酵過程中有機酸累積，維持pH值的相對穩定，從而更有利于氫氣產生（如圖2所示）。

　　系列研究建立了篩選高產氫菌株的技術方法，并且獲得了系列菌株資源。研究成果有助于促進微生物產氫領域的技術升級，為海岸帶區域經濟的綠色制造和可持續發展提供技術支持。相關研究成果已經陸續在ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Fuel、Bioresource Technology 和Science China Technological Sciences 等國內外期刊上發表。

　　該研究得到中科院戰略性先導科技專項（A類）(XDA22050301)、國家自然科學基金委員會“水圈微生物驅動地球元素循環的機制”重大研究計劃培育項目(91751112)和“泰山學者”青年專家計劃(tsqn20161054)等資助。

圖1. 水鐵礦還原定向富集產氫梭菌Clostridium

圖2. 水鐵礦還原促進Clostridium pasteurianum 產氫途徑