综述：微生物生物电化学系统的生化生产

这篇综述深入探讨了微生物生物电化学系统（BES）在可持续生化生产中的潜力，重点介绍了微生物电催化（MES）驱动CO2转化为甲烷、乙酸等高值产物的机制，并强调通过规模优化（scale-down/scale-up）策略推动技术产业化。文章指出，跨学科合作与基因工程改造是解锁BES潜力的关键。

　　

微生物生物电化学系统的生化生产

引言

微生物生物电化学系统（BES）通过耦合电化学反应与微生物代谢，实现了从CO₂到高值有机分子（如甲烷、乙酸、乙醇）的转化。这一技术的核心在于细胞外电子传递（EET），其直接或通过电子穿梭体介导的特性，决定了微生物在生物膜或悬浮体系中的生长表型，进而影响BES的性能与开发策略。

微生物电合成：价值何在？

过去二十年，微生物电合成（MES）在氢气和甲烷生产领域取得突破，但高附加值产物（如聚羟基脂肪酸酯PHA）的合成仍处于探索阶段。甲烷因其热力学优势成为主流产物，而乙酸生产常需抑制产甲烷菌或使用纯培养体系。近期研究通过将BES产物（如乙酸）喂养酵母或藻类，实现了产物升级，展现了系统的韧性——即使休眠数月仍可恢复功能。

未来方向：突破瓶颈

开发天然氧化还原介质（如吩嗪、黄素）或通过基因工程赋予非电活性微生物（如大肠杆菌）电催化能力，是扩展BES应用的关键。例如，改造的恶臭假单胞菌已能合成电子穿梭体，为代谢路径与电活性耦合提供了模板。

从微观到宏观：BES的规模策略

微型化BES：微流控技术和微孔板系统助力高通量筛选与生理学研究。例如，透明微流控反应器实现了地杆菌生物膜的实时观测，而有机微生物电化学晶体管（OMECT）可放大电信号以解析EET机制。
规模化BES：流化床反应器、旋转圆盘电极等设计推动了甲烷和乙酸的工业化生产。例如，移动床生物膜反应器通过电解产H₂将CO₂转化为甲烷，而管式BES实现了羧酸盐的连续合成。

结论与展望

BES的产业化需解决反应器设计复杂、EET效率低等挑战。通过跨学科协作与创新规模策略，BES有望成为可持续高值化学品生产的核心平台，尤其在高附加值 specialty chemicals（特种化学品）领域潜力巨大。