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本综述聚焦微生物燃料电池（MFC），介绍其作为绿色技术助力可持续发展目标，可利用多种生物基质，兼具废水处理、脱盐等应用。探讨 MFC 构造、组件对性能的影响及生化机制，总结全球研究重要成果，为相关领域提供参考。
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）作为一种融合微生物代谢与能量转化的前沿技术，其发展历程与科学内涵正逐渐成为可持续能源领域的研究焦点。自生物电概念提出半个多世纪以来，现代 MFC 技术通过微生物与可降解有机分子的协同作用，开辟了生物发电的新维度。
MFC 的技术架构与核心组件
MFC 的性能优劣高度依赖其构造设计与组件特性。从基础结构来看，电池的构型（如单室、双室系统）直接影响物质传输效率与电子转移路径。电极材料的选择（如碳基电极、金属电极）需兼顾导电性与生物相容性，例如碳毡电极因其高表面积和耐腐蚀性成为常用载体。电解质的组成不仅维持离子传导，还影响微生物活性，而分隔膜（如质子交换膜）的功能在于平衡离子通过与防止底物扩散。
产电微生物是 MFC 的 “生物引擎”，主要包括希瓦氏菌（Shewanella）、地杆菌（Geobacter）等异化金属还原菌，其通过细胞色素 c 等媒介实现胞内电子向胞外电极的转移。电子转移机制可分为直接接触（如菌毛介导）与间接传递（依赖电子穿梭体），深入解析这些路径对优化电池效率至关重要。
生物基质的多元化利用
MFC 的显著优势在于能利用广泛的生物基质实现能量转化。从传统的葡萄糖、乙酸等简单有机物，到废水污泥中的复杂有机质，甚至藻类生物质，均可作为底物驱动产电。例如，在废水处理场景中，MFC 可同步实现有机污染物降解与电能产出，COD（化学需氧量）去除率与功率密度的协同优化成为研究热点。此外，利用厨余垃圾、农业废弃物等可再生资源作为基质，不仅降低环境污染，还能构建 “废物 - 能源” 循环体系。
关键挑战与性能优化
尽管 MFC 前景广阔，但其实际应用面临多重挑战。库仑效率（Coulombic Efficiency）偏低是核心问题之一，微生物代谢过程中能量损耗（如用于维持生命活动而非电子输出）导致理论产能与实际功率（如 mW/m2 级输出）存在差距。电极生物 fouling（生物结垢）会阻碍电子传递，而长期运行中的微生物群落演替可能引发系统稳定性波动。
研究人员通过多学科手段寻求突破：设计三维多孔电极以增大反应界面，开发新型电子介体（如吩嗪类化合物）提升转移效率，以及利用合成生物学技术改造微生物代谢通路。此外，耦合技术的应用（如与反渗透结合的 MFC 脱盐系统）拓展了功能边界，但集成系统的能量损耗与成本控制仍需优化。
应用场景与可持续发展
MFC 的应用已从实验室逐步走向实际场景。在环境治理领域，其与废水处理厂结合可实现碳减排与能源回收，例如在厌氧消化池中嵌入 MFC 模块，提升资源利用率。在偏远地区，小型 MFC 系统可为传感器、照明设备供电，构建离网型能源解决方案。医疗领域亦探索其潜力，如利用人体肠道微生物构建植入式生物电池，为可穿戴设备供能。
从可持续发展目标（SDGs）视角审视，MFC 技术通过绿色能源生产（SDG7）、清洁水与卫生（SDG6）及循环经济（SDG12）的多重联动，为解决全球能源危机与环境污染提供了跨学科范式。然而，规模化应用仍需突破材料成本、系统集成与工程放大等瓶颈，未来研究需在基础机制解析与应用创新间寻求平衡。
总结与展望
作为一种 “一石二鸟” 的颠覆性技术，MFC 不仅实现了微生物代谢能向电能的转化，更构建了能源生产与环境治理的协同框架。当前研究已从基础组件优化迈向多元应用探索，而跨学科合作（如微生物组学、材料科学与能源工程的融合）将成为解锁其全潜力的关键。随着对电子转移机制的深入理解与新型功能材料的开发，MFC 有望在碳中和目标下占据更重要的技术生态位，推动人类向可持续能源社会迈进。
