生物制氢是一种条件温和、环境友好的产氢方式,在现今碳达峰、碳中和背景下具有广阔的应用前景。针对目前微生物发酵产氢底物转化率较低,发酵产氢的成本较高的技术问题,本研究从广东省稻田土壤中分离到一株产氢梭菌BZ-1,并优化了其培养体系。通过向培养体系中添加纳米水铁矿和构建协同固氮产氢体系,提高菌株BZ-1的产氢量和底物转化率,并对其相关机制进行研究,为微生物产氢的实际应用提供了理论依据。主要研究结论如下:(1)本研究从广东稻田分离得到一株梭菌属产氢微生物,命名为BZ-1(Clostridium sp.BZ-1),其产氢最适温度为37℃,最适初始pH为7。在最适培养条件下,菌株BZ-1发酵50 mmol/L葡萄的产氢总量为38.46±2.54 mol/L,发酵产氢底物转化率为1.20 mol H₂/mol葡萄糖。向培养体系中添加2-(N-吗啉代)乙磺酸(MES)缓冲试剂能够延长菌株BZ-1的产氢时间,蒲萄糖消耗量由32.17±3.22mmol/L增加到48.52±3.16 mmol/L,但单位底物产氢量未提高。(2)纳米水铁矿的添加能提高菌株BZ-1的产氢能力。其中2 mmol/L为最适添加量。该条件下,菌株BZ-1的产氢量提高了83.72%;发酵产氢底物转化率由1.20 mol H₂/mol葡萄糖提高到1.74 mol H₂/mol葡萄糖。水铁矿在菌株BZ-1培养的前期对培养基pH有一定的缓冲作用。在添加2 mmol/L水铁矿条件下,菌株BZ-1发酵葡萄糖的总量由34.83±1.82 mol/L提高到47.78±0.02 mol/L;乙酸、丁酸累积量由7.89±0.17 mmol/L、16.69±0.48 mmol/L提高到12.48±0.52 mmol/L、26.69±0.51mmol/L;产乳酸量由5.74±0.58 mol/L降低到0.31±0.01 mmol/L;菌株BZ-1的氢酶活性显著提高。在发酵过程中70.51%的水铁矿被还原。综上纳米水铁矿增强菌株BZ-1的可能机制如下:a)增强培养基缓冲能力;b)增强产氢途径并抑制非产氢途径;c)提高氢酶活性;d)提供电子受体,维持胞内电子平衡。(3)菌株BZ-1可以在以氮气为唯一氮源的条件下进行协同固氮产氢。协同固氮产氢条件下的菌株BZ-1的发酵产氢的底物转化率由1.20 mol H₂/mol葡萄糖提高到1.50 mol H₂/mol葡萄糖。协同固氮产氢的条件下菌株BZ-1产乙酸途径显著增强,产乙酸量由5.49±0.17 mol/L提高到8.80±0.08 mol/L。在该条件下,培养36 h时BZ-1OD₆₀₀值由1.37±0.05下降至0.83±0.09。纳米水铁矿可以通过增强产丁酸和产乙酸途径并抑制乳酸途径,进一步提高协同固氮产氢条件下菌株BZ-1的产氢能力,其单位底物产氢率达到1.86 mol H₂/mol葡萄糖。