综述：微生物燃料电池技术在废水生物修复与能源回收中的研究进展

这篇综述系统阐述了微生物燃料电池（MFC）技术的核心原理、电极材料优化（如碳基材料与MOFs催化剂）、微生物胞外电子传递机制（EET），以及pH、温度等关键参数对性能的影响，同时对比了MFC与传统废水处理技术（如厌氧消化）的经济性，为可持续能源与废水处理提供了创新思路。

　　

微生物燃料电池技术的核心原理与架构

微生物燃料电池（MFC）通过电活性微生物（如Geobacter sulfurreducens）降解废水中的有机物，产生电子和质子，驱动电流生成。典型MFC由阳极、阴极和质子交换膜（PEM）构成，其中阳极生物膜氧化有机物释放电子，阴极通过氧还原反应（ORR）完成回路。单室MFC因省略阴极室而成本更低，但双室设计更利于研究基础机制。

电极材料：从碳基到新型催化剂

阳极材料需兼具高导电性、生物相容性和成本效益。石墨刷（表面积500 m2/g）和碳布是主流选择，而金属-有机框架（MOFs）和过渡金属-氮-碳（M-N-C）复合物（如Fe-N-C）作为阴极催化剂，可替代昂贵的铂基材料。例如，ZIF-8衍生的氮掺杂碳材料通过均匀金属位点分布提升ORR活性，功率密度达3000 mW/m2。

微生物机制：电子传递的三种路径

电活性菌通过直接接触（导电纳米线或细胞色素）、可溶性介质（如黄素）或膜结合载体实现电子转移。混合菌群（如Shewanella oneidensis与Klebsiella pneumoniae共培养）可协同提升功率密度至300 mW/m2。真菌作为天然介体可能增强电子传递稳定性，但毒性介质（如甲基紫精）的应用仍受限。

性能优化：从参数调控到反应器设计

关键参数包括：

• pH与温度：阳极pH 6.5-7.5和30-45°C最适微生物活性，但阴极低pH促进ORR。
• 溶解氧（DO）：阴极高DO驱动ORR，但阳极需严格厌氧以避免抑制菌群。
• 反应器构型：上流式MFC适合低COD废水，而管式设计利于规模化，但易出现生物膜不均。

经济性与挑战：从实验室到产业化

MFC的初始投资（约4万欧元）虽高于传统活性污泥法，但长期能耗节省显著。无铂催化剂和陶瓷膜可降本45%。然而，低功率密度（1-3 W/m2）、膜污染和放大难题仍是商业化瓶颈。机器学习（ML）辅助优化或为突破方向，例如通过神经网络预测最佳运行条件。

未来展望：智能系统与跨学科融合

集成传感器实时监测pH、DO等参数，结合AI动态调控MFC运行，可提升污染修复效率。开发低成本材料（如活性碳阴极）和混合能源系统（如MFC-厌氧消化耦合）是未来重点，以实现联合国可持续发展目标（SDGs）中的清洁能源与水资源管理。