英文原题：Hydrogen-oxidizing bacteria: A promising contributor to environmental sustainability and resource recycling

作者：Rui Li, Yufeng Jiang, Kai Luo, Boyang Chen, Haotian Wang, Xiaolei Fan, Junting Pan*, Yuri V. Litti, Shanfei Fu*, Rongbo Guo*

01 论文信息

论文信息

Li R, Jiang Y, et al. Hydrogen-oxidizing bacteria: A promising contributor to environmental sustainability and resource recycling[J]. Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.02.004

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Hydrogen-oxidizing bacteria: A promising contributor to environmental sustainability and resource recycling

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 青岛能源所郭荣波、付善飞研究员，资划所潘君廷研究员：氢氧化细菌——驱动可持续发展的微生物新力量

02 背景简介 

在全球粮食安全与生态环境问题日益严峻的当下，氢氧化细菌（Hydrogen-oxidizing bacteria，HOB）凭借多样的代谢途径和极高的蛋白质含量，正为诸多环境难题和蛋白质生产提供创新解决方案，成为推动可持续发展的潜在力量。中国科学院青岛生物能源与过程研究所郭荣波研究员、付善飞研究员与中国农业科学院农业资源与农业区划研究所潘君廷研究员合作在Green Carbon期刊上发表了题为“Hydrogen-oxidizing bacteria: A promising contributor to environmental sustainability and resource recycling”综述论文，结合HOB的典型代谢途径，系统综述并全面回顾了其在污染物处置和高附加值蛋白质生产方面的广泛应用。

03 文章简介

简要介绍

HOB广泛分布于各种自然环境中，是一种兼养微生物，以其高达70%以上的生物质蛋白含量，且富含多种必需氨基酸，被视为优质的蛋白质替代来源。在自养条件下，HOB通过氢气氧化驱动卡尔文-本森-巴什姆（CBB）循环，高效固定并利用二氧化碳，将其转化为生物质，在全球碳循环中发挥重要作用。而在异养环境中，HOB具备强大的有机物降解能力，能够高效分解糖类、醇类及小分子有机酸等污染物，在有机废弃物处理方面展现出巨大潜力。此外，部分HOB还具备固氮能力，可将大气中的氮气转化为氨，或直接合成蛋白质，为微生物群落提供关键氮源，在维持生态系统氮循环和氮平衡方面具有重要生态价值。

重要进展与研究趋势

粮食安全领域：氢氧化细菌是“高效蛋白工厂”的代名词，其合成的单细胞蛋白（SCP）蛋白质含量高达70%以上，氨基酸组成均衡，可替代大豆、鱼粉等传统蛋白源。与传统的农业蛋白质生产方式不同，HOB无需占用耕地，且生长速度优势明显，能在25-30℃常温条件下快速积累生物质，为粮食短缺地区提供“不与粮争地”的蛋白生产新路径。更值得关注的是通过“电力-气体-蛋白”（P2P）技术，利用风电、光伏等可再生能源制氢，驱动HOB合成蛋白，全球仅2.5%的能源即可满足蛋白需求，为应对人口增长引发的粮食安全问题提供了可持续解决方案。

助力“双碳”目标：在其化能自养模式下，氢氧化细菌是当之无愧的“碳汇能手”。工业废气、沼气中的二氧化碳与一氧化碳，在HOB的代谢作用下，不仅能被高效固定（，更能转化为高附加值产品。例如，利用HOB处理沼气时，可同步实现沼气提纯（甲烷纯度达95%以上）与SCP生产，相较传统沼气燃烧，碳转化效率提升数倍；在处理合成气时，耐30%一氧化碳的HOB菌株能将有毒气体转化为蛋白含量超70%的生物质，实现“变废为宝”。生命周期评估显示，HOB蛋白生产的环境影响较动物蛋白降低53%-100%，全球变暖潜势、土地占用等指标均显著优于传统农业。

资源回收：凭借其异养代谢模式，氢氧化细菌是“有机废物的清洁工”，面对高COD废水、沼液、屠宰场废弃物等难处理污染物，HOB展现出强大的降解能力：处理含糖废水时，COD去除率达95%-100%，同时合成聚羟基丁酸酯（PHB）等生物塑料原料；处理沼液时，不仅能降解挥发性脂肪酸，还能将氮元素转化为蛋白，实现“污染物-资源”的闭环。与酵母等微生物相比，HOB处理有机废物的蛋白产出量更高，养分回收率更高，为市政、农业废弃物处理提供了低能耗、高价值的新选择。

绿色农业：固氮氢氧化细菌重构了“氮肥生产逻辑”，传统氮肥生产依赖高耗能工艺，且利用率低下，易引发水体富营养化与土壤酸化。而具备固氮能力的HOB菌株，可在低氧环境下利用氢气能量，将空气中的氮气转化为氨态氮，既可为自身合成蛋白提供氮源，又能分泌氨作为生物肥料。实验表明，接种HOB的盆栽萝卜品质与长度显著提升，且每生产1吨HOB生物质，可抵消传统饲料生产带来的1071kg二氧化碳当量排放，为生态农业注入新活力。

总结与展望

如今，氢氧化细菌的应用已从实验室走向产业化探索：结合可再生制氢的“零碳蛋白生产线”在试点中运行，处理工业废气的HOB生物反应器实现碳捕集与蛋白产出双收益，基于HOB的有机废物处理系统让“废物变资源”成为现实。尽管当前氢成本、气液传质效率等问题仍需突破，但随着基因工程技术的发展（如改造HOB代谢路径提升产物多样性）、电转气等相关技术的成熟，氢氧化细菌必将在“双碳”目标与粮食安全战略中发挥更核心作用。

从废气到蛋白，从废水到资源，从氮气到绿肥 —— 氢氧化细菌正以微观之力撬动宏观变革。这场由微生物引领的绿色革命，不仅为解决全球环境与粮食危机提供了新范式，更开启了“循环经济+低碳生产”的未来图景。未来，随着技术的持续迭代，氢氧化细菌将成为连接能源、环境与粮食系统的关键纽带，为可持续发展注入源源不断的“微生物动力”。

04 作者简介

郭荣波 研究员

郭荣波，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，生物燃气与环境工程中心主任，同时担任生物天然气山东省工程研究中心主任、国家城市生物质燃气产业技术创新战略联盟副理事长、国家畜禽养殖废弃物资源化处理科技创新联盟专家委员会委员、中国沼气协会理事。主要从事生物质废弃物制生物天然气和生态有机肥的循环综合利用技术研究，17年来在EES、JMCA、WATER RES等国际知名学术期刊发表SCI论文100余篇，授权专利20余项，带领团队承担国家科技支撑计划、国家重点研发计划、973、863、面上以及其他各类省市级及横向科研项目累计80余项，获批科研资金逾亿元。

付善飞 研究员

付善飞，博士，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，Green Carbon青年编委，获得国家自然科学基金、企业横向等多个项目支持；在 Trends in Biotechnology (IF=21.942, Cell出版社)等SCI刊物发表论文30余篇，其中以第一或通讯作者发表SCI论文28篇（包括中国科学院一区论文19篇），论文被引逾1600次，H因子21，申请发明专利12项，授权4项；同时，担任了生物天然气山东省工程研究中心副主任、Frontiers in Microbiology (IF=6.064,中国科学院二区Top期刊)副主编、Sustainable Horizons编委。

潘君廷 研究员

潘君廷，工学博士，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研究员。主要从事农业废弃物资源化利用和流域面源污染防控研究，在农业废弃物厌氧消化提质增效、好氧堆肥温室气体减排、生物基高值材料制备及应用和生物能源高效利用等方面取得重要进展。主持国家自然科学基金等项目10余项，以第一或通讯作者在Trends in Biotechnology, Renewable & Sustainable Energy Reviews等领域顶尖期刊发表论文50余篇，第一完成人授权国内外发明专利10余件。

05 Green Carbon

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