综述：最近在用于微生物电合成CO?反应器的生物阴极材料及其配置方面取得了进展

《Science in One Health》：Recent advances in biocathode materials and configurations for reactor applications in microbial electrosynthesis of CO 2

微生物电合成（MES）技术通过电活性细菌将二氧化碳转化为高价值化学品，生物阴极的电极材料与电子转移机制是提升效率的关键。研究综述了导电材料（如石墨、碳纤维）的生物相容性、三维结构优化及电子传递路径改进，指出需解决规模化应用中的能耗、产率及成本问题。

　　随着城市化和人类活动的加剧，大气中的二氧化碳（CO?）浓度持续上升，这已经成为全球变暖的主要驱动因素之一。CO?的排放不仅对环境造成了严重影响，还对生态系统的稳定性构成了威胁。面对这一挑战，科学家们正在积极探索新的技术路径，以实现对CO?的有效利用和转化。微生物电合成（Microbial Electrosynthesis, MES）作为一种新兴的生物技术，为CO?的转化提供了独特的解决方案。MES利用电活性细菌（Electroactive Bacteria, EAB）的代谢能力，将CO?转化为有价值的化学品和燃料，为减少温室气体排放、推动可持续发展提供了新的思路。

在当前的全球能源结构中，化石燃料的使用仍然是主要的能源来源。然而，这种依赖不仅导致了有限资源的枯竭，还引发了严重的环境问题。根据相关研究，全球温室气体排放中约有65%来自于CO?，以及硫氧化物和氮氧化物等其他气体。这些气体的累积加剧了气候变化，导致极端天气事件频发、海平面上升以及生物多样性减少等一系列问题。为了应对这些挑战，国际社会通过《巴黎协定》等协议，设定了将全球气温升幅控制在2摄氏度以内，并努力实现1.5摄氏度的目标。实现这一目标需要大量的努力和创新，特别是在能源生产和碳排放控制方面。

在这一背景下，碳捕集与利用（Carbon Capture and Utilization, CCU）技术应运而生，旨在通过捕获并转化CO?，将其转化为可利用的资源。例如，CCU技术可以用于增强石油回收过程，通过将CO?注入油藏，从而提高石油采收率。此外，CO?还可以用于工业脱盐过程，或者通过化学方法转化为高附加值的产品。这些技术虽然在一定程度上有助于减少CO?排放，但它们往往受到催化剂稳定性、过程复杂性和成本等因素的限制。相比之下，MES技术则展现出了更高的可行性，因为它不仅能够实现高效的CO?转化，还具备良好的操作稳定性和远达效率。

MES的核心在于电活性细菌的代谢过程。这些微生物能够在生物电化学系统（Bioelectrochemical System, BES）中利用电极提供的电子，将CO?还原为有机化合物。这一过程主要依赖于微生物的代谢途径，例如甲烷生成（methanogenesis）或Wood–Ljungdahl途径。这些代谢途径使得MES能够在较低的能源输入下实现高效的CO?转化，同时减少对传统化石燃料的依赖。此外，MES还能够与可再生能源系统相结合，例如太阳能、风能或沼气发电，从而形成一个更加循环和可持续的碳利用模式。

然而，尽管MES展现出巨大的潜力，其在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，系统的安装和操作复杂性较高，尤其是在大规模应用时，需要考虑反应器的设计、微生物的适应性以及电极材料的选择等问题。其次，产品分离和纯化过程可能增加整体成本，影响其经济可行性。此外，提高MES的远达效率和反应速率仍然是一个关键的研究方向。目前，许多研究集中在优化电极材料和结构，以促进微生物与电极之间的高效电子传递，从而提高CO?的转化效率。

在MES系统中，电极材料的选择至关重要。不同的电极材料对微生物的生长、代谢活动以及电子传递效率有着直接的影响。常见的电极材料包括碳基材料，如石墨、碳纤维、碳布等，它们具有良好的导电性和生物相容性，能够为微生物提供稳定的生长环境。此外，研究人员还在探索其他类型的电极材料，如金属氧化物、导电聚合物和复合材料，以进一步提升MES的性能。这些材料不仅需要具备良好的导电性，还应能够促进微生物的附着和生物膜的形成，从而增强电子传递的效率。

除了材料的选择，电极的结构设计也是影响MES性能的重要因素。例如，三维多孔结构的电极能够提供更大的表面积，促进微生物的附着和生长，从而提高CO?的转化率。同时，电极的表面修饰技术也被广泛应用，以增强其与微生物之间的相互作用。通过在电极表面引入特定的化学基团或纳米结构，可以优化电子传递路径，提高系统的整体效率。此外，电极的形态设计，如电极的形状、尺寸和排列方式，也对MES的性能产生重要影响。

在实际应用中，MES系统还需要考虑操作条件的优化。例如，pH值、温度、电流密度以及营养物质的供给等因素都会影响微生物的活性和CO?的转化效率。因此，研究人员正在探索如何在不同的操作条件下，实现MES系统的最佳性能。同时，为了提高系统的稳定性和可持续性，还需要开发更高效的微生物菌株，并通过基因工程技术对其进行改造，以增强其对CO?的利用能力。

此外，MES技术的商业化应用仍然面临一些技术瓶颈。例如，如何在大规模生产中保持系统的稳定性和高效性，如何降低生产成本，以及如何提高产品的市场竞争力等问题，都需要进一步的研究和探索。为此，许多研究团队正在致力于开发更高效的电极材料和结构，优化反应器设计，并探索新的微生物菌株，以提高MES的性能和经济可行性。

总的来说，MES技术为CO?的转化和利用提供了一种全新的思路。通过优化电极材料和结构，提高微生物的活性和电子传递效率，MES有望在未来成为一种重要的碳捕集与利用技术。然而，要实现这一目标，还需要克服一系列技术和经济上的挑战。因此，未来的研究应重点关注如何进一步提升MES的性能，推动其在工业和环境领域的广泛应用。