综述：藻类驱动生物电化学系统：最新进展、应用与前景

本综述系统探讨了藻类辅助微生物燃料电池（algae-MFCs）在生物电化学系统（BES）中的创新应用，涵盖其高效产电（达26,680 mW/m2）、多类型生物燃料生产（如生物氢、生物甲烷）及废水处理的协同机制，同时分析了反应器设计、规模化挑战及环境经济价值，为可持续能源技术发展提供前瞻视角。

　　

设计与组件：藻类-MFCs的构造核心

微生物燃料电池（MFC）通过阳极（-）、阴极（+）和质子交换膜（PEM）构成基础框架，其中藻类在阴极室通过光合作用释放氧气（O₂）作为电子受体，显著提升氧还原反应（ORR）效率。阳极室内的电化学活性细菌（EAB）氧化有机物产生电子，经外电路传递至阴极，形成电流。最新研究显示，采用藻类生物膜（AB）的夹层式MFC（ST-MFC）可将功率密度提升至26,680 mW/m²，同时降低对昂贵催化剂的依赖。

废水：藻类培养的理想介质

废水中的富营养成分为藻类生长提供廉价底物，而藻类代谢同步净化水质。例如，处理含氮磷废水时，藻类可吸收80%以上的化学需氧量（COD），其产生的生物质可作为生物燃料原料。实验证明，以污水为培养基的藻类-MFCs系统，生物氢产量可达200 mL/L/h，且阴极溶解氧浓度提高3倍，直接优化了ORR动力学。

生物燃料：藻类-MFCs的多元产出

藻类生物质通过厌氧消化（AD）和暗发酵（DF）可转化为多种能源：

• 生物氢：绿藻在光照条件下产氢效率达286 mL/g/VS；

• 生物甲烷：脂提取藻（LEA）残渣经AD产生甲烷，热值提升40%；

• 液态燃料：生物丁醇（3.37 g/L）和生物乙醇（73 g/L）可通过工程菌株优化；

• 生物航空燃料：微藻油脂经酯化反应生成生物煤油（bio-jet），年产能达121,104 kg/ha。

实时应用与计算模拟

藻类-BES已用于污水处理厂（ETP）的水质监测，其生物炭可改性为电极材料。计算流体动力学（CFD）模型显示，光照强度与藻类密度对系统功率输出呈非线性关系，而机器学习算法可预测最佳藻种配比，使COD去除率提升至95%。

环境经济性：商业化瓶颈与突破

尽管藻类-MFCs的碳足迹较传统技术降低60%，但质子交换膜（PEM）成本占总投资35%。近期研究提出无膜设计（如微生物碳捕获细胞MCCs），结合废弃藻渣制备催化剂，使单位电能成本降至0.11美元/kWh。社会生命周期评估（sLCA）表明，该技术在农村地区兼具能源供给与就业创造潜力。

未来展望

需突破藻类代谢通量调控、低成本电极规模化生产等关键技术。通过合成生物学改造藻类光合途径，或可进一步提升电子传递效率，最终实现藻类-BES的工业级应用。