综述：微生物在能源应用电催化剂中的作用：最新进展

这篇综述系统阐述了微生物在电催化领域的三重创新角色：作为活体生物催化剂（EET）、无机电催化剂生物合成器（如SRB/IOB腐蚀工程）及非生物催化剂模板（如M13噬菌体）。文章深入解析了微生物的腐蚀特性（FeSx/Ni(OH)2）、氧化还原能力（Au/Pd纳米颗粒合成）及结构模板效应（N/P掺杂碳材料），并基于构效关系（HER/OER/ORR/CO2RR性能）提出可持续电催化系统的未来发展方向。

　　

微生物在电催化剂中的三重角色

活体生物电催化剂

微生物如地杆菌（Geobacter）和希瓦氏菌（Shewanella）通过独特的胞外电子传递（EET）机制驱动清洁能源转化。其核心在于多血红素细胞色素（c-Cyts）和导电纳米线（如OmcS）介导的直接电子传递（DET），以及黄素/吩嗪介导的间接电子传递（IET）。例如，过表达希瓦氏菌MR-1的C型细胞色素CymA可使微生物燃料电池功率密度提升3.6倍至436.5 mW m^-2。合成生物学技术（如CRISPR-Cas9编辑c-Cyts基因）进一步优化了电子通量。

无机催化剂的生物合成器

微生物代谢途径可绿色合成高效电催化剂：

• 腐蚀特性：硫酸盐还原菌（SRB）以SO₄^2-为电子受体，腐蚀镍泡沫形成FeS_x修饰的Ni(Fe)(OH)₂，使OER过电位降至220 mV@10 mA cm^-2；
• 氧化还原特性：芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）分泌蛋白质自组装成ZnO纳米花，其氧空位使亚甲基蓝降解率达83%/h。

非生物催化剂的生物模板

微生物形态多样性（如硅藻三维孔结构、M13噬菌体丝状模板）和固有元素（C/N/P/S）为催化剂设计提供新范式：

• 结构模板：烟草花叶病毒（TMV）静电吸附Ag⁺形成纳米颗粒，CO₂RR法拉第效率达95.0%；
• 碳前体：酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为N/P源合成的Ru-Ru₂P@NPC，通过降低ΔG_H*（-0.08 eV）实现高效HER。

微生物在关键电催化反应中的应用

HER：从生物氢酶到模板催化

[FeFe]-氢化酶过表达的希瓦氏菌MR-1实现80%法拉第效率；而金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）衍生的N/P共掺杂碳催化剂起始过电位仅76 mV。

OER：腐蚀工程的突破

需克服强酸/碱环境限制，但微生物合成催化剂表现卓越：IOB腐蚀生成的Ni(Fe)(OH)₂-Fe₂O₃异质结通过优化Ni位点电子结构，使OER过电位~230 mV。

ORR：酶与生物模板协同

漆酶/胆红素氧化酶驱动四电子转移；锰基MOF仿生酶活性中心（Mn-N₄/O）的ORR质量活性超Pt/C 6.15倍。

CO₂RR：微生物-电极杂化系统

沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）以电极电子还原CO₂为丁醇；硅纳米线-链霉菌杂化体系通过匹配代谢路径提升CO₂固定率6.8倍。

挑战与未来方向

当前需解决电子转移效率（如导电菌毛基因改造）、规模化生产（模块化反应器设计）及原位表征技术（XAS/Raman）开发等问题。微生物电催化为清洁能源转换提供了从分子机制到工业应用的革命性解决方案。