氢能日益被视为全球脱碳的关键组成部分。然而，目前的氢生产仍主要依赖于蒸汽甲烷重整和煤制氢等化石燃料技术（Lin和Wu，2024；Malerod-Fjeld等人，2017）。尽管这些技术具有成本效益，但它们会排放大量二氧化碳，并且对气候的改善作用有限（Li等人，2025）。此外，现有和计划中的化石燃料基础设施的累积排放量可能已经超过了与1.5°C温控目标相容的碳预算，这凸显了能源系统脱碳的迫切需求（Tong等人，2019）。
与化石燃料路线相比，生物氢具有明显的环境优势。例如，暗光联合发酵的全球变暖潜力约为9.37吨二氧化碳当量/吨氢气，远低于煤制氢（超过30吨二氧化碳当量/吨氢气）（Zhang等人，2024）。生物氢生产过程还具有操作条件温和、系统要求简单以及能够利用有机废物的优点（Yang等人，2025）。在生物路线中，光合细菌的光发酵因其广泛的底物谱和直接将光能转化为氢气的能力而受到广泛关注（Jiang等人，2024；Li等人，2024）。光发酵产氢率通常是暗发酵的1.5-2倍，远高于微藻系统（Cheng等人，2022；Khetkorn等人，2017；Mishra等人，2019）。
在光合细菌中，紫色非硫细菌（PNSB）已成为光发酵产氢最有前景的微生物之一（Tiang等人，2020）。PNSB具有多种代谢模式，可以根据光照、氧气和营养物质的可用性进行切换（Wu等人，2012）。其高度的代谢灵活性使菌株能够适应不同的基因工程策略。在光发酵过程中，它们的碳代谢可以与氮酶驱动的产氢过程耦合，实现高效的氢气生产（Openshaw和Bagnato，2026）。此外，PNSB能够高效利用多种碳源，并对降解后的农业废弃物表现出高适应性（Ren等人，2024）。另外，PNSB在可见光谱范围内具有多个吸收峰，能够有效捕获太阳能用于产氢（Zhang等人，2024）。尽管具有这些优势，但由于各种生物学和环境限制，PNSB的光发酵产氢效率仍远低于其理论最大值。不同菌株和培养条件下的产氢量差异显著。例如，Rhodopseudomonas palustris GCA009的产氢量为1.15摩尔氢气/摩尔葡萄糖，而Rhodobacter capsulatus JP91的产氢量可达5.50摩尔氢气/摩尔葡萄糖（Ghosh等人，2012；Wang等人，2019）。然而，这些数值仍远低于理论最大值12摩尔氢气/摩尔葡萄糖，这表明当前研究需要重点提高代谢效率并优化途径调控。大多数PNSB并不直接以葡萄糖作为光发酵的碳底物（Bayon-Vicente等人，2025）。在使用葡萄糖的系统中，氢气生产通常通过暗光-光联合发酵过程实现，其中葡萄糖首先被暗发酵微生物转化为有机酸，然后在光照条件下被PNSB消耗（Liu等人，2010；Sagir等人，2018）。
PNSB的光发酵产氢过程本质上与碳底物的代谢转化和光驱动的电子传输相关。来自有机底物氧化的电子进入以光合系统为中心的循环电子传输链（Gu和Milton，2020）。这一光驱动过程建立了质子梯度，推动三磷酸腺苷（ATP）的合成，并为氮酶提供高能电子（Zhang等人，2016）。氮酶随后利用ATP水解释放的能量将质子还原为氢气（Seefeldt等人，2020）。然而，来自底物氧化和光化学反应的还原力和ATP同时被多个竞争性代谢途径消耗，包括通过Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环的二氧化碳固定、通过聚羟基丁酸（PHB）生物合成的碳储存以及细胞维持代谢（Feng等人，2018；Huang等人，2025）。这些途径对还原力和ATP的激烈竞争显著限制了野生型（WT）菌株的产氢量。因此，通过代谢工程策略分析和重构这些代谢流网络对于克服光发酵产氢的效率瓶颈至关重要。
基于这些见解，研究人员通过靶向优化碳代谢、电子传输、ATP合成、氮酶活性和细胞应激耐受性，成功开发了多种PNSB突变菌株。通过增强电子传输并将多余的还原力重新导向氮酶而非竞争性途径，突变菌株实现了光合电子流与氮酶活性之间的有效耦合（Feng等人，2024；Gao等人，2025）。同时，加强的ATP合成酶调控确保了光驱动的质子动力高效转化为生化能量，从而维持了依赖ATP的氢气生产（Mu等人，2025）。CBB循环和PHB合成途径的代谢重构进一步减少了碳的浪费，将碳和能量流导向氢气生产（Öztürk和Gökçe，2012）。此外，优化的色素组成和光捕获天线结构在不同光照条件下提高了光子捕获效率，扩展了适合氢生产的有效光照强度范围。赋予对氨、pH值和温度波动耐受性的适应性突变使氮酶在次优光发酵环境中保持活性（Feng等人，2024；Gao等人，2023；Gao等人，2025）。总体而言，这些遗传和生理突破使工程化的PNSB突变菌株实现了卓越的光能转换效率、氧化还原平衡和环境鲁棒性，为高效且可扩展的光发酵产氢奠定了坚实基础。
光合细菌的代谢工程为通过重构细胞能量和氧化还原代谢来提高生物氢产量提供了强有力的方法。然而，由于光捕获、碳代谢、电子传输和氮酶活性之间的复杂耦合，调控氢生产的机制尚未完全阐明。本文全面总结了PNSB生物氢生产的代谢工程最新进展，重点介绍了PNSB光发酵产氢的机制。它强调了优化光捕获色素合成、电子传输和还原力分配的基因工程策略，以及提高对氨浓度、温度和pH值等环境因素耐受性的方法，从而提高产氢量。此外，还从系统代谢工程的角度分析了能量转换和氧化还原平衡的内在机制。最后，基于分子生物学和合成生物学提出了光发酵产氢的未来优化方向。
