微生物-光电化学耦合系统实现纤维素废弃物高效转化为电能及高附加值化学品

本文开发了一种模块化微生物光电化学电池（MPEC），通过厌氧纤维素降解菌（Clostridium thermocellum）与BiVO4/CoP光阳极的协同作用，将不溶性纤维素直接转化为电能（电流密度达400 μA cm-2）及乙醇、乙酸等化学品。该系统突破传统生物-非生物界面氧干扰难题，在真实废弃物（柚子叶、工业用纸）中验证了稳定性，为生物质资源化提供了可持续解决方案。

　　

Highlight

本研究开发了一种创新型微生物光电化学电池（MPEC），巧妙地将"生物剪刀"与"光电转换器"结合：厌氧菌像微型工厂般分解纤维素，而特殊设计的光阳极（BiVO₄/CoP）则像精准的分子捕手，选择性氧化糖类并抑制水氧化反应。这种"菌电联产"系统不仅能持续发电三天，还会"吐"出乙醇、乙酸等工业原料，连柚子叶和废纸都能变废为宝！

Results and Discussion

在MPEC构建中，我们首先打造了具有"防水"特技的BiVO₄光阳极——通过负载高含量CoP助催化剂（电沉积电荷达0.38 C/cm²），成功将水氧化反应扼杀在摇篮里。当这个光阳极遇上C. thermocellum分泌的细胞ulosome"消化酶团队"，纤维素就像被拆解的乐高积木，逐步变成纤维二糖等小分子。

有趣的是，这个系统展现出"光合作用"般的智慧：细菌负责分解大分子，光阳极则专攻小分子氧化，二者配合默契。在模拟太阳光下，系统电流密度稳定在0.4 mA/cm²，相当于每平方厘米每分钟产生240亿个电子！核磁共振检测更发现了意外惊喜——反应液中出现了乙醇（10.7 mM）、乙酸（1.2 mM）等"副产品"。

Conclusions

这项研究如同为纤维素废弃物打开了"任意门"：通过微生物与光电材料的"跨界合作"，让枯枝败叶直接变身电能瓶和化学品原料箱。这不仅缩短了自然界的碳循环路径，更提供了"即插即用"式的分布式能源解决方案，未来或将成为乡村电站和造纸厂的"绿色充电宝"。