暗发酵生物制氢被认为是极具前景的碳中性制氢技术路线。然而，该过程在发酵中不断积累的挥发性脂肪酸会导致体系pH急剧下降，引发严重的酸化抑制，导致产氢停滞。目前常用的碱性试剂虽可调节pH，但存在局部pH冲击、系统盐度升高及需持续投加等缺陷，且无法提供碳捕获等附加环境效益。此外，暗发酵产生的生物气中CO2占比较高，需要额外的高能耗分离工艺进行纯化。如何在单一体系中同步实现高效产氢与CO2减排，目前仍缺乏有效的工艺方案。
针对上述问题，中国科学院沈阳应用生态研究所李伟明研究员创新性地提出将天然硅酸盐矿物硅灰石作为双功能添加剂，在暗发酵体系中同步实现产氢增效与CO2原位封存。研究发现，投加硅灰石通过酸驱溶解持续中和体系酸度，可将发酵终点pH稳定在6.5-7.0，使产氢迟滞期缩短50%，氢气产率提升30%。在代谢层面，硅灰石介导的pH缓冲效应驱动了发酵代谢通量的重塑：乙酸浓度显著升高，乳酸积累量骤降至可忽略水平，乙酸/丁酸比从0.55提升至0.91，表明体系向产氢效率更高的乙酸型发酵路径偏移。微生物群落分析进一步揭示，硅灰石处理组中关键产氢菌Clostridium sensu stricto 1的相对丰度从47.2%增至62.4%，而非产氢菌Lactobacillus则近乎消失，与乳酸积累减少的趋势一致。
然而，研究同时揭示了产氢优化与碳捕获之间的关键权衡：最大化CO2矿化需要中性偏碱的pH环境（≥15 g/L投加量可被动达到），但该条件下氢气产率反而下降。为解决这一矛盾，团队提出了"两阶段"工艺策略，成功封存CO2 0.49 ± 0.05 L/L培养基，将最终生物气中H2含量提升至58.2 ± 1.1%。捕获的CO2以方解石型CaCO3形式稳定矿化。生命周期评价表明，该策略将全过程电力需求从59.2 MJ大幅降至37.4 MJ，在全球变暖潜势等十项环境影响指标上均优于对照组。
上述研究为暗发酵生物制氢提供了一种"碳负性"工艺概念验证，证明了通过时序解耦策略可在单一生物炼制体系中协同优化绿氢生产与碳捕获，为推进生物制氢技术的可持续发展提供了新思路。相关研究成果以"Towards negative-carbon biohydrogen: A dual-function wollastonite strategy for enhanced fermentation and CO2 sequestration"为题，于2026年4月13日在线发表在国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》。中国科学院沈阳应用生态研究所李伟明研究员为第一作者兼通讯作者，生态所硕士生金灿、大连理工大学本科生段慧达、李芳草等参与了实验与数据收集，曾祥峰与程驰为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（42477248、52200041）、辽宁省自然科学基金联合计划（2024-MSLH-069、2024JH2/102600016）、辽宁省优青项目等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.176164
图1 硅灰石促氢固碳机制图
图2 生命周期评价对比
