藻种的改造多采用诱变的方法，对于蓝藻，主要目标是获得异形细胞比例高或吸氢酶缺陷的突变体。PK84即是氢酶失活的蓝藻突变体，且异形细胞的比例可达17％。Hall获得了Anabaena sp的吸氢酶缺陷株，可在好氧条件下固氮产氢，但气相氢气与氧气的比例为1／7，即产氢速率低于光合成速率的13％。Hall诱变得到吸氢酶失效的Nc)stoc sp．变异株，也可在有氧环境中产氢。利用基因工程方法对Anabaena进行改造也已取得较好的结果。
目前发现的具有较高产氢能力的绿藻为数不多，主要有莱茵衣藻Chlamydomonas reinhardtii、小球藻Chlorella tiscal、绿球藻Ehlorococcumlittorate、斜生栅藻Scenede obliquus和亚心型扁藻Platymonas subcordi-formis。其中莱茵衣藻是绿藻产氢研究中最常用的藻株，亚心型扁藻是近年来我国筛选发现的海洋绿藻，其产氢机制与调控技术与莱茵衣藻有所不同。
绿藻改造的主要目标是获得耐氧的藻株，对莱茵衣藻诱变所获得的突变株可使其耐氧性能从1．5％提高至2．8％，利用基因工程与蛋白质工程对氢酶进行定向进化改造，将能获得更为耐氧的产氢系统。
根据微藻产氢机制，通过产氢工艺和外源因子的引入可对微藻产氢的时间和速率进行调控。
蓝藻产氢的速率与许多因素有关，如细胞年龄、营养状态、产氢系统温度、pH值及气相组成等。其中气相组成以及细胞固定化对产氢速率提高有较大的影响，Markov研究了部分真空对产氢影响，当系统压力从正常气压101325Pa(760Torr)下降至：39996．6Pa(300Torr)时，产氢速率提高了8倍。D．J．shi采用聚乙烯和聚氨基甲酸己酯固定化鱼腥藻Anabaena azollae，发现细胞的异形化从8％升至16％。自由生长蓝藻在12天就失去了产氢活性，固定化细胞连续光照产氢达5个多月，但按每天生物量计算的产氢速率并不高。
莱茵衣藻是绿藻产氢研究最主要的藻株。衣藻在经过几个小时厌氧培养后，氢酶在体内合成或活化，然后进行光合放氢，该过程被称为衣藻的直接光解水制氢。研究表明，添加葡萄糖和EDTA铁可促进产氢，氢气作为反应物对产氢影响不大，葡萄糖、甲酸盐和碳酸氢根离子对氢酶的表达至关重要。
衣藻的可逆产氢酶对氧气极为敏感，当气相环境中氧气含量达到1．5％时，产氢反应立刻停止。采用吸氧剂、还原剂消耗氧气，或利用连续通惰性气体等方法实现氧气在产氢过程中的原位、快速分离，维持衣藻所处低氧环境，可实现直接光解水制氢的连续操作。Greenbaum等在衣藻产氢体系中连续充入惰性气体、间隔补加CO2，使体系中释放氢气和氧气的比例维持2∶1，并连续操作了60天。该技术处理费用高，获得氢气浓度低，分离回收困难，无实用价值。
美国国家可再生能源实验室(NREL)和加州大学伯克利分校利用硫作为代谢转换开关，研究了衣藻两步法光解水制氢。第一步，莱茵衣藻通过光合作用固定CO2，释放氧气，积累有机物。第二步，衣藻置于无硫培养基中，使衣藻的光合放氧速度下降至低于呼吸耗氧速度，20h左右，藻液处于厌氧状态，并诱导氢酶表达30h后，开始放氢。系统藻液浓度为(3～6)×106个／mL，产氢时间延续了70h，释放气体组成为87％H2、1％CO2，其余组分为N2和微量氧。
两步法被称为衣藻的间接生物光解水制氢，其核心在于从时空上分隔产氢和产氧两个过程，避免了氧对可逆氢酶的抑制，以及氢氧分离纯化等困难。1998年，IEA氢利用和生产年度报告中对间接光解水制氢做了详尽的分析、评估，认为其可能发展成实用的生物制氢技术。
张卫等对亚心型扁藻间接光解水制氢过程做了研究。对于扁藻两步法产氢工艺，发现无硫培养仅能提高扁藻产氢效率10倍。采用了解偶联剂进行调控可使扁藻氢效率提高上百倍。
3.太阳能转化效率
太阳能转化效率是所有利用太阳能制氢技术实用化的核心问题。Bolton曾为太阳能生产氢的过程作过估算，指出生物光解水制氢的太阳能转化效率必须达到10％才可能有实际应用的价值。目前，微藻光水解制氢的研究还未能达到这一目标。
蓝藻由于其产氢机制所限，太阳能转化效率的提高较为困难。Miyamoto用A.cylindrica进行室外产氢实验达1个月，平均太阳能转化效率仅为0．2％。
Mitsui所筛选的单细胞固氮蓝藻利用同步培养技术保护和提高固氮酶活性，在低光照条件下，使用波长在400～700nm的人造光源，得到3．5％的光能转化效率。
绿藻产氢的太阳能利用效率有可能达到10%。Greenbaum在低光密度下，测定了绿藻产氢的效率在6％～24％之间。而莱茵衣藻的突变体在实验室里低光照条件下，已可实现22％的光能转化，相当于10％的太阳能转化效率。然而，在室外培养特别是高光强下，由于光饱和效应和自屏蔽现象，太阳能利用效率会降至4％以下。根据光漫射机理，利用光导纤维与光棱镜可以提高藻类产氢在高光强下的光能转化效率，利用光的闪烁效应或高频率光调变也有同样的作用，但是系统的成本过高，难有实用价值。采用基因工程手段降低微藻中吸光色素的含量，避免光饱和和自屏蔽是提高太阳能转化效率的理想方法。以盐藻为模式，低光强下藻株的光能利用效率较高，随着光强上升，未突变藻株的光能利用效率迅速下降，突变株的光能利用率下降缓慢，在1500μmol光子／(m2·s)光强下，未突变株的光能利用效率为5％，而突变株的光能利用效率达到45％。
4.微藻制氢光生物反应器
光生物反应器是微藻产氢实用化的关键设备。反应器的材料应是透光且氢不能渗透，玻璃与塑料是常选用的材料。在氢难以渗透方面，玻璃优于塑料，但塑料的成本包括加工成型的成本将低于玻璃。
光生物反应器的形状有管式、板式和螺旋式，各种形式包括其尺寸的选择均为了保证单位体积能有足够的受光面积。为了使反应器内的藻体能较为均匀地吸收光能，因此反应器的厚度有一定限制，且需提供良好的气体交换，这些都增加了光反应器设计的难度。
光生物反应器的考察可以选用非产氢藻类的光照培养为模式体系。实际上，有关藻类培养的工艺技术与工艺参数的研究已经成熟，这些研究均可为微藻产氢反应器的设计提供借鉴。蓝藻产氢光生物反应器及其放大已有较多的研究。Markov将鱼腥藻A.vaiabranes固定在100L的AM和PM的中空纤维膜反应器的膜外空间，培养液透过膜进入中空纤维膜内流出并循环返回反应器，反应器连续运行了5个月，产氢速率为20～200mL H2／g DWH。
Hall等构建了气升式二级串联螺旋光生物反应器，配备有pH值、溶氧、温度、细胞密度等自动监测控制系统，反应器体积为4．35L。采用无氢酶的蓝藻突变体为产氢藻株，放氢时间为十几小时，每小时最高产氢156mL，单位反应器、单位时间产氢量约3．2mL／(L·h)。
除光生物反应器外，氢气的收集、分离纯化也有待于在微藻制氢实用化过程中进一步开发、研究。
三、光合细菌制氢
光合细菌是一类具有原始光能合成体系的原核生物，属于细菌门、真细菌纲、红螺菌目。光合细菌产氢是该类微生物利用太阳能分解有机物时为维持质子和电子平衡的代谢过程。
光合细菌光照厌氧产氢现象发现于1962年。经过几十年的发展，光合细菌产氢已成为生物制氢实用化的一个重要方向。围绕着光合细菌产氢机制，产氢菌株筛选和改造，产氢过程调控和产氢工程和工艺等问题，国内外均有较深入的研究。
1.光合细菌产氢机制
微生物体内的碳源代谢系统可利用有机物通过EMP、TCA循环产生ATP、H+、CO2以及电子供体。电子由电子供体传递至细胞色素后进入了电子传递循环链。当电子经过光反应中心时，通过光能吸收、转化被激发为高能位电子。高能位电子的一部分在电子链内循环降低能位产生ATP；另一部分依靠铁氧化还原蛋白传递至固氮酶。固氮酶利用高位电子、H+、ATP固氮并产生H2。微生物体内的氢酶则吸收氢气，回收部分能量，维持氢代谢平衡。
光合细菌中的固氮酶，其结构性能与蓝藻中固氮酶类似，也由nif基因编码。光合细菌中组成固氮酶的二氮酶和二氮还原酶的组成比例因细菌种类不同而不同，甚至同源性相差也较远。光合细菌中的氢酶按其胞内位置有膜基氢酶和可溶性氢酶两种，有的菌株同时含有两种氢酶。膜基氢酶为镍铁氢酶，与细胞膜上电子传递系统关联，通过氢的氧化回收能量。可溶性氢酶为铁氢酶，与膜基氢酶相比，并不在光合细菌中较普遍地存在。光合细菌中氢酶活性以吸氢为主，并受CO抑制，氢酶吸氢时以H2为电子供体固定CO2，提供细菌的自养生长；氢酶还具有暗发酵产氢的功能。
某些光合细菌具有厌氧暗发酵产氢的功能，如R．sphaeroides等均可分解葡萄糖、有机酸、醇类在无光照厌氧条件下产氢。其产氢机制被认为与暗发酵细菌产氢类似，依靠丙酮酸甲酸氢解酶(FHL)分解丙酮酸为甲酸，再依靠氢酶分解甲酸产生氢气，但还未能从光合细菌中分离获得FHL酶。
2.光合细菌产氢基本特征
光合细菌是一类在形态、生理特征等方面极富多样性的细菌，与其相对应的是碳源代谢的多样性。光合细菌能利用多种糖、醇、有机酸及CO2作为生长的碳源。碳源代谢的多样性也导致光合细菌产氢的原始电子供体多样性。因此，光合细菌产氢所用的原料或底物极为广泛，这对利用有机废水产氢极为有利。
光合细菌产氢存在严重NH+4的抑制，10μmol／L浓度铵离子即会形成毒害。也有人认为谷氨酰胺酶直接参与了固氮酶的调控，其机制还不清楚。光合细菌的NH+4抑制现象在铵离子去除后即能消除，同时NH+4作为微生物异养生长优先利用的氮源，少量加入能提高产氢的最终效率。
光合细菌的厌氧光合作用将因氧气的存在而受影响，因光合成色素的合成受氧抑制。光合产氢与光合作用密切相关，当体系从高光照转为暗条件时，产氢仅能维持在很低水平甚至停止，但光能转化效率却达到了7．9％。也就是说，光合细菌产氢速率随着光照强度的增强而增加，而光能转化效率却随之降低。
3.光合细菌制氢进展
菌株的筛选和改造是提高光合细菌产氢效率的基础。其目标是获得氢酶缺陷、谷氨酰胺营养缺损失型以及提高光能转化效率的变异株。WiIlison对R．capulata B10菌株进行化学诱变，筛选到膜基氢酶缺陷株，以L-苹果酸、D-苹果酸和混旋DL-苹果酸为底物的产氢量分别比野生菌株提高10％～20％、20％～50％和70％。Hustade筛选获得R．sphaeroides缺陷株在乙酸中产氢量比野生株有大幅度提高。John通过R．capsulata B10诱变株hupL，基因的插入，所获变异株在限氮光异养生长时，产氢量可比野生株提高1倍。Vasilyeva从R．sphaeroides中筛选出光吸收系统重排的变异株，光能转化效率有了很大的提高。wall等从R．sphaeroides、R．capsulata和R．rubrum中分离到不受NH+4抑制的变异体。
光合细菌存在着碳源代谢的多样性，但是作为生长代谢的碳源与产氢电子供体的碳源会存在着不一致性，因此碳源利用有效性的检验是光合产氢的重要内容。当以有机废水为光合产氢原料时，显得更为重要。目前已有多种废水成功用于光合产氢的报道。
光合细菌固定化技术较受关注。细胞固定化有利于生物催化剂的连续使用，简化了培养液与生物催化剂的分离步骤，同时对抑制效应也有一定的缓解。光合细菌常用的固定化材料有海藻酸钠、琼脂、角叉菜胶等。徐向阳对琼脂与海藻酸钙包埋R．capsulata产氢作了比较，前者产氢效果更好，且使苹果酸光合产氢能力提高约90％，朱核光用几丁质固定R．sphneroides产氢，在NH+4存在下具有较高产氢活性。Mitui用琼脂包埋海洋光合细菌可减缓氧的抑制，系统曝气5h，固定化细菌能保持95％的原始活性。Tsygankov采用表面涂有多孔硅胶并用硅烷处理的玻璃包埋R．sphaeroides，可减少因固定化的屏障而产生的光能量损失。
光生物反应器是光合细菌产氢实用化的关键设备。已开发了多种可用于光合细菌产氢的反应器，如连续恒化光培养器、平板式光反应器、线圈式盘状光反应器、填充多孔玻璃反应器和逆流漫射光反应器。
混合培养技术在光合细菌制氢研究中也颇受重视。Weetall固定化R·rubrum和Klebseilla pneumonzae的混合培养物用纤维素产氢，产氢量达6mo1H2／mol葡萄糖。Miyake固定化Clastridium butyricum和R．domonns sp。混合培养，可降解葡萄糖产氢达7mol H2／mol葡萄糖。Miura用绿藻和光合细菌共培养可在无有机物条件下持续产氢。Yokio混合培养C.butyricum和R．sphaeroides利用淀粉产氢效率比单一菌株高出2～3个数量级。
四、有机物暗发酵制氢
存在较多种类的产氢发酵细菌，它们能通过发酵作用，在逐步分解有机物的过程中产生分子氢。与光生物制氢相比较，有机物暗发酵制氢是近十年来才受到关注的生物制氢技术。鉴于其高产氢速率，多种底物的利用能力，特别是与有机废水相结合的特点，制氢研究的实用化工程及规模都有较快的发展，但基础理论研究相对较为薄弱。
1.发酵产氢机制
微生物发酵产氢存在多种途径，不同的机制，其共同的特点在于利用体内氢酶消耗还原性有机物分解时产生的过剩电子流，同时产生氢气，以维持体内氧化还原代谢的平衡。
