综述：解锁微生物燃料电池潜力：底物、新兴应用与挑战的综合评述

本综述系统探讨微生物燃料电池(MFCs)在废水处理与能源再生领域的双重价值，聚焦底物类型（合成/工业废水）、电活性菌群（如Geobacter）代谢机制，以及生物传感(BOD/COD监测)、生物制氢(MEC)和微生物碳捕获(MCCC)等创新应用。通过分析功率密度(PD)、库仑效率(CE)等关键参数，揭示MFCs在实现80-95% COD去除率的同时产生0.015-0.060 kWh/m3电能的潜力，为可持续发展提供跨学科解决方案。

　　

废水处理

工业化进程导致全球每年2680亿立方米废水排放，其中45.3%未经处理直接进入环境。微生物燃料电池(MFCs)通过电活性细菌代谢有机废物同步实现污染治理与电能生产，其核心在于底物选择——从合成废水到制药废水的复杂有机物均可作为"燃料"。典型案例显示，1000升MFC系统可实现80-95%的COD去除率，并产生0.015-0.060 kWh/m³电能。预处理策略如0.2 mg/L预氯化可使电压提升500%，这归功于外产电菌(exo-electrogenic bacteria)的富集。

生物传感

MFCs的实时响应特性使其成为理想的生物传感器。通过监测电流变化，可精准检测BOD、COD等水质参数。其独特优势在于无需外部电源，且能识别毒性物质——当有毒物质抑制电活性菌代谢时，电流下降幅度与污染物浓度呈正相关。这种"自供电传感"技术为污水处理厂提供了经济高效的监测方案。

生物制氢

微生物电解池(MEC)作为MFC的变体，通过施加额外电压将有机质转化为氢气。阴极室的产氢效率与底物类型密切相关，乙酸等简单有机物比葡萄糖更利于氢离子还原。最新研究表明，采用聚苯胺改性阴极可将产氢速率提升3倍，这为清洁能源生产开辟了新路径。

微生物碳捕获

微生物碳捕获细胞(MCCC)将CO₂固定与能源生产创新结合。阳极室降解有机物释放的CO₂，被阴极室藻类通过光合作用转化为生物质。螺旋藻(Arthrospira)在该系统中展现双重价值：既固定CO₂又产生高附加值产物藻蓝蛋白，使系统碳固定效率达1.8 g CO₂/L/d。

规模化挑战

尽管实验室规模MFCs表现优异，但扩大化面临电极材料成本、系统集成等瓶颈。采用石墨烯-聚吡咯复合阳极可使功率密度提升15.6%，而模块化堆叠技术能成倍提高处理能力。值得注意的是，猪粪为底物的MFC在优化有机负荷率(OLR)后，库仑效率突破70%，证明操作参数调控对实际应用至关重要。

未来展望

混合菌群在复杂底物利用方面展现显著优势，未来应聚焦食品加工废弃物等高有机负荷废水的定向转化。通过整合3D纳米电极与人工智能控制系统，MFCs有望成为"负碳排放"水处理技术的标杆，推动循环经济发展。