水素生産に利用できる酵素には、ニトロゲナーゼとヒドロゲナーゼ（→参照）があり、私たちはニトロゲナーゼを利用
反応が不可逆的なので、酸素存在下でも水素を再吸収しないことが利点
理論的最高エネルギー変換効率はＣ４型光合成の約2/3

将来の海上生産を視野に、私たちは省力生産が可能なニトロゲナーゼ系を採用しました。N₂があるときは、窒素を固定すると同時に水素を副産物として生産し、その反応は次式のように表されます。

一般式　　N₂＋８e^-＋８H⁺＋１６ATP → H₂＋２NH₃＋１６（ATP＋P_i) 　（反応式１）

N₂がないときは全ての電子が水素生産に利用されます
（例　Ar）　２e^-＋２H⁺＋４ATP → H₂＋４（ATP＋P_i）　　(反応式２）

後者の場合（反応式２）、可視光（550ｍｍの光）に対する理論的最大エネルギー効率は、13.9-16.3％と計算されます。太陽光中の光合成に利用できる部分は可視光で、全体の約45％ですから、全太陽光に対する効率は約6.2-7.3％となります。この効果は、イネ、コムギなどのC3型光合成では12.4％、トウモロコシ、サトウキビなどのC4型光合成では9.3-11％ですから、水素生産の効率はC4型光合成の約2/3ということになります。

ヘテロシスト：酵素感受性ニトロゲナーゼと光合成の両立

ニトロゲナーゼは酸素感受性なので、酸素による失活から保護する仕組みが必要です。窒素固定型シアノバクテリアは酸素発生型光合成とニトロゲナーゼの共存という難題を、さまざまなやり方で解決しています。私たちが利用しているシアノバクテリアは、酸素を発生し光合成をやる栄養細胞と、酸素を発生せず窒素固定を行うヘテロシスト（異型細胞）が空間的分業により窒素固定（水素生産）をやっています。たとえて言えば、栄養細胞は原料製造所であり、ヘテロシストは加工所です。（なお、昼は光合成、夜は窒素固定というように、時間的分業により対処しているもの、その他のタイプもあります）

図は反応系のより詳しい説明です。PSⅠは光化学系Ⅰで、光化学反応により、強力な還元剤（還元型フェレドキシン）を生じます。 PSⅡは光化学系Ⅱで、水を分解して電子を供給すると同時に、酸素を発生します。ニトロゲナーゼにより固定された窒素はアンモニアを経て、グルタミンとなり周辺の栄養細胞に送られ、細胞の生育に利用されます。（cyt　b₆/f は電子伝達体）
（なお根粒菌は活発な呼吸によって細胞内酸素濃度を下げることによりニトロゲナーゼを保護し、同時に反応に必要なATPを供給しています）。

【ヒドロゲナーゼが水素生産を妨害】

ヒドロゲナーゼは、ニトロゲナーゼによって生産された水素を再吸収し、水素生産の妨害となります。そこで、遺伝子工学的方法によりヒドロゲナーゼ活性を除去すると、水素生産活性が著しく高まり、酸素の存在下でも水素を蓄積することができます。