图1. 水铁矿还原定向富集产氢梭菌Clostridium

此外，研究以产氢菌株为研究对象，通过转录组学、电化学、酶学和化学计量分析等方法，揭示了异化铁还原过程促进产氢菌株富集并提高碳代谢和产氢效率的机制。研究发现，纳米水铁矿中的铁还原过程与发酵过程相耦联，使得产氢反应在热力学上相对更加容易发生；铁还原过程会接受电子，从而改变碳流和电子流的方向，产生更多氢气；纳米水铁矿还能够调控菌株基因表达，二组分系统（TCS）、葡萄糖磷酸转移系统（PTS）、NADH脱氢酶和氢化酶等基因均被不同程度地被上调表达；此外，铁还原过程还能够消耗质子，缓解发酵过程中有机酸累积，维持pH值的相对稳定，从而更有利于氢气产生（如图2所示）。

图2. 水铁矿还原促进Clostridium pasteurianum 产氢途径

系列研究建立了筛选高产氢菌株的技术方法，并且获得了系列菌株资源。研究成果有助于促进微生物产氢领域的技术升级，为海岸带区域经济的绿色制造和可持续发展提供技术支持。相关研究成果已经陆续在ACS Sustainable Chemistry & Engineering (IF 6.97)、Fuel ( IF 5.128)、Bioresource Technology (IF 6.669)和Science China Technological Sciences等重要国内外期刊上发表。

本研究致谢中国科学院战略性先导科技专项（A类）(XDA22050301)、国家自然科学基金委员会“水圈微生物驱动地球元素循环的机制”重大研究计划培育项目(91751112))等项目资助。

参考文献：

[1] Zhang Yuechao, Xiao Leilei, Hao Qinqin, Li Xin, Liu Fanghua^*, Ferrihydrite reduction exclusively stimulated hydrogen production by Clostridium with community metabolic pathway bifurcation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 7574-7580.（中科院一区，Top期刊）

[2] Zhang Yuechao^#, Liu Fanghua^#*, Hao Qinqin, Xiao Leilei^*, Target-oriented recruitment of Clostridium to promote biohydrogen production by nano-ferrihydrite. Fuel, 2020:118049.（中科院一区，Top期刊）

[3] Zhang Yuechao^#, Xiao Leilei^#, Wang Shuning, Liu Fanghua^*, Stimulation of ferrihydrite nanorods on fermentative hydrogen production by Clostridium pasteurianum. Bioresource Technology, 2019, 308-315.（中科院一区，Top期刊）

[4] Zhang Yuechao^#, Liu Fanghua^#*, Xu Hengduo Xiao Leilei^*, Extraction of electrons by magnetite and ferrihydrite from hydrogen-producing Clostridium bifermentans by strengthening the acetate production pathway. Science China Technological Sciences, 2019, 1719–1725.（中科院二区，有国际影响力的重要国内期刊）