化石原料的利用带动了人类社会经济发展,但也造成严重的环境污染,因此寻找一种清洁、可再生能源是未来能源发展的一种趋势。氢气的密度小、质量轻、燃烧值高、清洁可再生、便于运输等特点,被认为是一种具有潜力的可再生能源。建立高效、清洁、低成本、可再生生产氢气的方法对未来社会经济的发展有重要的意义。目前,主要通过化石原料制氢,其次利用电解水和太阳能制氢,生物制氢还在研发阶段,但生物制氢能耗低、污染少,是一种理想的制氢方式。现在主要有光合细菌光发酵产氢、多种异养细菌暗发酵产氢和微藻光解水产氢。光合细菌利用有机酸为底物生长并产生CO2,代谢产生的电子通过光合电子传递链及Fd传递给固氮酶产氢,但产氢效率低。暗发酵细菌可利用多种有机质,降解产生的电子产氢,不需要光照、产氢效率高,但底物利用率低,发酵液污染环境,且产生的CO2气体分离较困难。而微藻利用光能和水产氢,产氢过程清洁,理论产氢效率高,但由于光能转化效率低和氢酶对氧气敏感,导致衣藻产氢效率低。微藻与细菌共培养产氢是利用细菌消耗衣藻胞内氧气提高产氢的方法,已发现根瘤菌、假单胞菌等与衣藻共培养提高产氢,但不清楚产氢机理。本文利用筛选细菌与莱茵衣藻共培养产氢,研究共培养产氢机理,并通过添加Ca2+保护光合系统提高产氢,利用ARTP诱变提高突变株光能转化效率,提高衣藻氢气累积。具体内容如下:1)在衣藻缺硫培养时自然接种微生物,筛选氢气含量高的样品,从藻液中分离出6株细菌,分别与衣藻共培养产氢得到主要产氢贡献细菌Pseudomonas sp.S2,发现Pseudomonas sp.S2消耗培养体系氧气最快,并延缓叶绿素降解。当与大肠杆菌和枯草芽孢杆菌混合与衣藻共培养,发现只要存在Pseudomonas sp.S2菌藻共培养产氢最高。此外,当Pseudomonas sp.S2与其它产氢绿藻共培养都促进产氢。2)为研究细菌与衣藻共培养提高产氢机理,用DCMU抑制光合传递链电子传递,测定淀粉、蛋白、叶绿素、溶氧量及比较转录组分析,发现细菌与衣藻共培养可延缓叶绿素降解、促进淀粉积累、维持蛋白含量和提高衣藻转录水平,且发现光解水产氢占60%左右。此外,经过光密度、硫浓度、铵浓度、乙酸浓度和菌藻比优化最高产氢达到170mL L-1。3)由于光解水为产氢主要贡献者,所以利用Ca2+保护因缺硫导致PSⅡ活性降低的光合系统提高共培养产氢,发现5 mM Ca2+共培养产氢量最高,可达到310 mL L-1。发现加Ca2+诱导抗氧化酶系清除胞内少4倍的ROS,减缓了发酵过程中衣藻叶绿素降解,维持了PSⅡ活性,提供更多电子产氢。Ca2+也促进乙酸利用,提高衣藻淀粉积累,并促进淀粉降解提供电子产氢。此外,Ca2+能促进甲酸和乙醇利用,降低对氢酶毒性,提高产氢和延长产氢时间。4)光合作用提供的电子为莱茵衣藻产氢主要电子供体,为了提高光能转化效率,利用ARTP诱变莱茵衣藻,以获得叶绿素减少且产氢提高的突变株。筛选到一株产氢量高的突变株,纯培养产氢量比野生型提高1.8-5.2倍(28.5-84.1 mL L-1),共培养产氢量比野生型提高2.7-3.1倍(356.5-405.2 mL L-1)。相比于野生型衣藻,突变株细胞增大至少2倍,单位体积叶绿素比野生型降低5倍,且转录组分析表明突变衣藻光合系统相关基因表达量提高,说明突变衣藻提高光能转化效率提高产氢,且发现产氢主要由光解水提供电子。