摘要
氢气是最理想的清洁能源，但目前的氢气制备方式仍需直接或间接的消耗大量的化石能源。为早日实现“碳达峰、碳中和”目标，亟需发展无污染、可持续的绿色制氢方式。莱茵衣藻的光合产氢是在其叶绿体中进行的基于光合作用的生物制氢过程，是一种极具前景的绿色制氢方式，但由于缺乏具有高产氢能力的藻种，莱茵衣藻光合产氢的工业化进程受到很大的限制。本研究以实验室前期获得的高产氢突变体hpm91为材料，通过随机突变构建突变体库及靶标基因超表达的策略对hpm91进行进一步的遗传改造，以期获得超高产氢突变体。同时，将实验室前期建立的分析型光合产氢体系(100 mL)放大10-100倍(1-10 L)，并对hpm91的产氢能力进行了系统的分析。获得了如下主要研究成果，(1)以hpm91为材料，构建了新的随机插入突变体库，并通过抗性筛选获得1700转化子。(2)前期研究表明产氢过程中高产氢突变体的Y(Ⅱ)高于野生型，基于此，建立了基于叶绿素荧光分析与气象色谱检测的超高产氢突变体高通量筛选的新方法，并对所获得的转化子进行定向筛选，获得了一批缺硫条件下Y(Ⅱ)提高20％的突变体藻株。(3)气相色谱分析筛选出1株名为hpm91-108的超高产氢突变体，5天产氢量为hpm91的1.5倍。(4)TAIL-PCR分析结果表明，hpm91-108的突变位点位于1号染色体Cre01.g043250的3’UTR区域。(5)通过基因超表达方法，分别构建了psbA、fdx1，及hydA1基因的过表达株系，获得了近百株阳性转化子。(6)设计并建立了1-3 L的光合产氢生物反应器，并对hpm91在规模放大体系中的产氢能力进行评估，确定了在该范围内氢气产量与生物反应器体积呈正相关趋势。(7)对10 L体系中hpm91的在不同光强下的氢气产量进行了比较，结果表明，230 μmol·m-2·s-1光强下平均产氢持续时间为26天、平均产氢量为7287ml/10L.HPBR。这是目前相关领域规模和产氢的最高纪录。(8)对该体系产氢过程中hpm91的细胞密度及总蛋白含量进行了分析，明确了二者的动态变化模式及放氢终期二者较产氢起始时分别降低了50％以及25％。(9)设计并搭建了实验室规模的藻氢生产.收集定量.氢燃料电池耦联应用的完整装置，成功利用藻氢和空气发电驱动终端运行。这些研究成果为推进绿色可持续的光生物产氢的基础研究和产业化进程具有重要意义。
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