微生物生物电化学系统固氮研究的最新进展与展望

本推荐介绍微生物生物电化学系统（BES）在氮气（N2）固定方面的创新研究。针对传统Haber-Bosch工艺高能耗、高污染的问题，研究人员通过阴极和阳极系统探索微生物电辅助固氮（e-BNF）的机制与效能，发现利用氢otrophic菌、电子中介体及混合群落可实现铵（NH4+）和生物质的高效合成，为可持续农业氮源供应和可再生能源整合提供了新路径。

　　

氮是生命体不可或缺的关键元素，大气中大量存在的氮气（N₂）却因稳定的三键结构难以被直接利用。目前，全球农作物氮需求主要依赖人工合成的氮肥，其中超过70%通过Haber-Bosch工艺生产。这一过程以化石燃料为能源，每年消耗全球近2%的能源，并产生大量温室气体。生物固氮（BNF）虽能自然转化氮气为铵，但其效率有限，难以满足农业需求。因此，开发低碳、高效的替代固氮技术成为当务之急。

微生物生物电化学系统（BES）利用微生物与电极间的电子传递驱动氧化还原反应，为氮气固定提供了新思路。该系统可在常温常压下运行，并能与可再生能源耦合，有望实现可持续的氮循环。近期发表于《Bioelectrochemistry》的研究全面综述了BES在固氮领域的最新进展，深入探讨了阴极和阳极系统的机制、效能及应用前景。

研究团队通过文献综述与实验数据整合，系统分析了包括纯菌培养、混合群落构建、电子传递机制解析、能量效率计算等多种方法。关键实验技术包括微生物电解池（MEC）与微生物燃料电池（MFC）的构建、循环伏安法检测电子转移、乙酰还原法（ARA）测定氮酶活性、同位素标记法追踪氮流向，以及群落宏基因组学分析功能菌群。部分微生物样本来源于活性污泥、土壤和厌氧消化池。

阴极系统用于氮固定

阴极可作为电子供体，通过直接电子传递、H₂或氧化还原中介体（如甲基紫精MV）驱动固氮。研究显示，使用纯菌株如自养黄色杆菌（Xanthobacter autotrophicus）在电解池中利用阴极产生的H₂，固氮速率可达14.4 mg_N/L/d，但库仑效率较低（4.5%）。通过光电耦合菌株（如Rhodopseudomonas palustris）或构建氧梯度（如微波阵列电极），可提升效率与速率，最高达114 mg_N/L/d。此外，采用电子中介体（如吩嗪）或混合群落，可在较低阴极电位（如0.11 V vs. RHE）下实现高效固氮，库仑效率达20%。

阳极系统用于氮固定

阳极作为电子受体，替代氧气支持厌氧固氮，避免氮酶失活。研究证实，使用Geobacter sulfurreducens或Pseudomonas stutzeri等菌株，阳极固氮活性可达16.1 mg_N/mg_DW/d，与好氧固氮菌相当。系统在提供氮源的同时，不影响MEC的电流输出（库仑效率约40%），适用于低碳氮比废水处理。

性能比较与优化策略

与Haber-Bosch工艺（能耗10.7–15.9 kWh/kg N）和电化学氮还原（NRR）相比，当前e-BNF系统的能耗较高（如24.1–550 kWh/kg N），但具备常温常压操作、与可再生能源兼容、可产高值生物质等优势。优化方向包括开发低电位系统、增强直接电子传递、构建功能明确的合成菌群，以及推进阳极-阴极集成系统（理论电压＜3 V），以实现能源与资源效率的提升。

应用前景与挑战

e-BNF系统有望用于分布式农业氮肥生产、废水处理脱氮、以及微生物电合成（如乙酸生产）的氮源补充。然而，其规模化应用仍面临固氮速率低、能量效率不足、系统稳定性差等挑战。未来需通过菌株工程、反应器设计、场效验证等多维度优化，推动其实际应用。

该研究系统阐述了BES在固氮领域的机制多样性与技术潜力，为开发可持续氮循环技术提供了重要理论依据和实践方向。通过跨学科整合微生物学、电化学与工程学，e-BNF有望成为未来绿色氮经济的关键组成部分。