氢气介导的微生物无机耦合系统在CO2还原方面展现出了独特的优势和巨大的潜力,该系统可以实现CO2到多碳化合物的直接转化。无机系统将水电解为氢气和氧气,随后被氢自养型微生物原位利用将CO2转化为不同产物。但目前该系统的产物种类仍较为单一,大多为低级醇类。此外,体系在运行过程中存在生物与无机系统不匹配的问题。无机系统副产的活性氧自由基（reactiveoxygenspecies,ROS）会对微生物造成毒害作用。氢气在水中较低的溶解度和传质速率常数导致氢气传质过程限制CO2还原效率。针对以上问题,本文展开以下研究:首先,以罗尔斯通氏菌（Ralstoniaeutropha C5,罗氏菌）为底盘细胞构建具有较高产量的番茄红素工程菌,对比不同来源的番茄红素合成基因（CrtEBI1和CrtEBI2）和不同强度的启动子（Plac、PphaC、PlacRBS、Pj5）,最终确定R.eutropha C5/pBBR-Plac-CrtEBI2作为后续实验的菌株。所构建的番茄红素工程菌在异养和自养条件下合成番茄红素,产量分别可达3.29 mg/L和2.49 mg/L。将构建的番茄红素工程菌与不锈钢和铂网作为阴阳极的电解水系统耦合,成功构建了 一个能合成番茄红素的氢气介导微生物无机耦合系统。对运行方式、电流大小等条件进行优化,提高体系番茄红素产量。电流条件优化实验中,18mA下系统达到最大库伦效率12.6%,番茄红素最高产量为1.00mg/L。使用燃煤电厂实际废气作为碳源进行番茄红素合成,最终番茄红素最高产量可达1.73 mg/L。在完成系统的构建后,针对生物与无机系统相容性较差的问题展开研究。通过电子顺磁共振等实验证明无机催化系统在电解水的过程中会副产超氧阴离子（·O2-）、过氧化氢（H2O2）、羟基自由基（OH·）等ROS,影响微生物正常生长。对比番茄红素工程菌与对照组细菌在无机系统中的存活率和生长速率,证明番茄红素作为一种还原性产物能抵抗无机催化系统带来的不利影响。在此基础上额外设计两种更具有普适性的方法来提高生物催化剂的抗氧化能力,进而实现生物与无机系统的高效耦合。首先,构建过表达超氧化物歧化酶（superoxidedismutase,SOD）和过氧化氢酶（catalase,CAT）的罗氏菌来抵抗无机催化系统的氧化压力。所构建的过表达SOD/CAT细菌能承受35 mM H2O2的毒害作用,并且在耦合系统中生长速率较对照组细菌提升19.2%。除此之外,利用定向进化驯化一批能够适应无机催化系统强氧化环境的菌株。在七轮连续进化过程中,罗氏菌在微生物无机耦合系统中的生长速率和体系的能量效率显著提升。生物质累计速率从4.09 mg/（L·h）提高至9.11 mg/（L·h）,系统能量效率从5.24%上升至10.66%。最后,为解决氢气传质速率低的问题,采用添加纳米材料的策略来增强气液传质过程。制备了两种纳米材料:粒径为200 nm的二氧化硅（SiO2）和全氟化碳（Perfluorocarbon,PFC）纳米乳液。在血清瓶中进行了气体发酵实验,对比两种材料对气体发酵产量的提升效果。加入不同浓度的纳米SiO2,番茄红素产量有20%～50%的提升。PFC乳液在体积分数为4%时,对番茄红素产量有最佳促进作用,可提升50%以上。加入SiO2和PFC乳液后,氢气体积传质系数（kLa）从0.895 h-1 提升至 1.015 h-1 和0.972 h-1。本研究成功利用氢气介导的微生物无机耦合系统实现了 CO2到高附加值产物的转化,为构建以CO2为原料的电驱动细胞工厂提供思路。