微生物燃料电池耦合生物电芬顿系统：新兴污染物的绿色降解新策略

《Bioresource Technology》：Efficient biosynthesis of retinal from Escherichia coli by metabolic engineering

本综述系统阐述了微生物燃料电池（MFC）与生物电芬顿（BEF）耦合系统作为一种可持续的水处理技术。文章深入分析了其两种耦合模式（原位/异位）及七种反应器构型，重点探讨了该系统通过微生物原位产生H2O2、电化学再生Fe2+以生成·OH自由基降解新兴污染物（ECs）的机制，并提出了针对电极材料、广谱pH催化剂及微生物保护等关键挑战的优化策略，为推进该技术从实验室走向工程应用提供了重要见解。

　　

Section snippets

Configuration of MFC-BEF system

微生物燃料电池（MFC）利用微生物作为阳极室的催化剂来氧化有机物，将其转化为电子和质子，同时产生生物电。生物电芬顿（BEF）的显著特征在于它将微生物产电与电芬顿（EF）过程整合在一起。电子通过外电路转移，质子穿过质子交换膜迁移，两者均到达阴极，驱动氧还原反应以生产过氧化氢（H₂O₂）。

Removal capacity of MFC-BEF for ECs

单独的MFC和芬顿工艺在处理这些顽固污染物时，常常面临去除效率不足或运行成本高的限制。MFC-BEF系统作为一种环境可持续技术应运而生，它集废水处理、同步发电和高级氧化于一体。这种集成方法在应对新兴污染物（ECs），特别是难降解有机物方面展现出巨大潜力。

The factors influencing the ability of MFC-BEF to process ECs

尽管MFC-BEF系统在处理ECs方面表现出良好的前景，但其效能受到多种因素的调节。清晰理解这些影响变量对于优化系统设计和增强实际应用性至关重要。因此，本节重点讨论调节MFC-BEF处理ECs能力的关键因素。如图3所示，MFC阳极中的微生物群落、阴极室中的初始pH、铁基催化剂的剂量浓度以及电极材料等参数都扮演着重要角色。

Challenges and perspectives

MFC-BEF技术的核心优势在于其利用微生物代谢分解有机物并发电，实现自供电运行，显著降低能耗。该系统通过原位产生的·OH高效降解各种痕量ECs，同时结构优化减轻了自由基猝灭效应，并减少了有毒中间体对微生物活性的影响。通过模块化堆叠，可以灵活扩大处理能力。未来的研究应侧重于开发低成本、高效率的电极材料和异相催化剂，以拓宽工作pH范围（尤其是中性条件），并探索增强微生物对芬顿反应压力的抵抗力的策略，例如使用保护膜或筛选耐药菌株。实现铁催化剂（Fe²⁺/Fe³⁺）的有效循环仍然是提高系统可持续性的一个关键挑战。

Conclusion

MFC-BEF系统协同整合了生物电化学和芬顿过程，通过自供电产生·OH，为ECs的去除提供了一个可持续的解决方案。本综述强调了其在能量回收和ECs矿化方面的优势，但也指出了关键挑战，包括反应器构型优化、电极材料选择、微生物免受芬顿应激的保护以及高效的Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原循环。系统性能受到几个关键操作参数的显著影响，未来的研究需要解决从实验室创新到工业部署的差距，以充分发挥这项有前景的技术在可持续水处理中的潜力。