生物制氢从经验试错走向精准设计

发布时间：2026-08-25来源：中国科学报

本报讯（记者赵宇彤）中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员黄聪与东莞理工学院副研究员刘倩合作，聚焦传统生物制氢过程中微生物群落高度异质、产氢效率不足及规模化调控困难等关键问题，提出人工智能（AI）与生物技术（BT）融合驱动的微生物群落数字化设计新范式，为推动生物制氢由经验优化向精准设计转变提供了新思路。近日，相关研究成果发表于中国工程院院刊《工程（英文）》。

氢能是重工业、远距离交通和化工等难电气化领域的重要脱碳路径。生物制氢可在温和条件下将秸秆等有机废弃物转化为氢气，兼具低碳、资源化与环境友好优势。其中，暗发酵无需额外光能或电能，具备连续运行潜力，但仍存在底物预处理成本高、碳阻遏、菌群稳定性不足、挥发性脂肪酸积累、气液传质受限等问题，实际产氢率通常仅达到理论值的40%至60%。

AI与BT的融合朝着生物制氢从经验优化到数字化、可预测设计迈出重要一步。AI可结合机器学习、基因组尺度代谢模型、多组学数据及非线性降维方法，解析微生物群落中代谢网络、能量分配、基因调控和种间互作的复杂关系；扩散模型等方法还能模拟单细胞代谢噪声并预测高阶网络效应。BT则通过高通量筛选、定向代谢网络重构、合成微生物群落构建及培养环境调控，减少对基因编辑的依赖，构建稳定、高效的产氢菌群。

研究提出“数字细胞-数字微生物群落-数字系统”的研究范式，以多组学、热力学与酶学约束建立细胞模型，再结合AI预测和实验反馈优化群落组成及反应过程，目标是设计仅含2~5种微生物、氢产率超过理论值60%的简化菌群。技术经济分析和生命周期评价结果表明，AI与BT结合有望在降低生物制氢成本和碳排放方面发挥重要作用，未来制氢成本有望降至每千克3.5美元以下。

需要指出的是，该技术的产业化应用仍面临多重挑战：一是高质量、多维度数据相对不足，制约模型训练与预测精度；二是算法在复杂工况下的鲁棒性仍需提升；三是实时监测与自动化实验平台尚不完善；四是在规模化过程中，抑制物积累、底物组成波动及菌群生态漂移等问题可能影响系统稳定性和产氢效率。