基于铁硫矿物的微生物燃料电池：功能取向、影响性能的因素及可持续发展前景

《Journal of Biotechnology》：Iron sulfur mineral-based microbial fuel cells: functional orientation, performance-affecting factors, and sustainable development prospects

　　

• 基于铁硫矿物的MFC表现出良好的发电性能和稳定性。
• 低成本黄铁矿基微生物隔膜是MFC规模化应用的良好候选材料。
• 矿物特性、环境条件和操作参数对系统性能具有关键控制作用。
• 本文详述了MFC实际应用面临的关键挑战与展望。

引言

随着传统能源危机的加剧和日益凸显的环境问题，绿色能源生产和水污染治理已成为现代世界面临的重大挑战。近几十年来，生物电化学系统，特别是微生物燃料电池（MFCs），作为一种可持续能源技术，受到了广泛关注。MFC能够利用微生物催化反应去除废水中的污染物，并将化学能转化为清洁电能，同时实现废水处理、生物电生产和资源回收（Wang等，2015；Palanisamy等，2019）。然而，该技术仍受限于输出功率密度低、反应器设计与运行工艺不完善以及启动周期过长等核心瓶颈（Mohamed等，2018）。在MFC应用中，氯苯（Gong等，2024）、1,4-二恶烷（Aryal等，2019）、四氢噻吩（Lin等，2023；Liu等，2023）和抗生素（Liang等，2025）等多种有机化合物已被用作可氧化底物，为系统提供反应基质。

双室微生物燃料电池（DC-MFC）是文献中报道的典型构型，由两个功能腔室组成，即阳极室和阴极室，二者由离子交换膜隔开（图1a）。在运行过程中，阳极表面的电活性微生物通过氧化有机底物等电子供体释放电子，并通过胞外电子传递（EET）将这些电子转移至阳极，随后电子经由外电路定向迁移至阴极。在阴极室中，电子与质子和溶解氧发生电化学反应，最终生成水。微生物实现EET主要有两种机制：直接电子传递（DET）和介导电子传递（MET）（Enzmann等，2019）。DET可通过两条途径实现：一是微生物外膜上含氧化还原活性的蛋白质（如细胞色素）与电极表面直接接触；二是利用具有长距离电子传导能力的微生物附属结构（如含细胞色素的导电菌毛或纳米线）促进电子传递。相比之下，MET则以外源性或内源性氧化还原介体作为中间媒介，促进电子向电极的传递（Afsharian和Rahimnejad，2022）。电荷分布的不平衡自然在阳极与阴极之间产生电场梯度，从而实现生物质化学能向电能的直接转化（Ren等，2012）。当以乙酸作为底物时，阳极和阴极的半反应可表示如下：

阳极：CH?COO? + 2H?O → 2CO? + 8e? + 7H?

阴极：O? + 4H? + 4e? → 2H?O

另一种重要构型是单室微生物燃料电池（SC-MFC），其中单个腔室同时容纳阳极和阴极，二者分别位于相对两侧。阴极一面直接接触电解质，另一面暴露于空气中（图1b）。在此设计中，质子传递无需跨越任何隔膜，而是直接通过水相电解质从阳极区域扩散至阴极区域，并与渗透至阴极催化层的氧气结合，完成阴极氧还原反应。因此，SC-MFC具有成本较低、传质效率提高和腔室体积减小等优点。该构型面临的主要挑战是空气阴极水侧表面的生物污损问题，但可通过采用具有抗生物污损功能的阴极催化剂加以有效缓解（Das等，2021）。

另一种构型为堆叠式MFC，即将多个MFC单元以串联、并联或串并联组合方式电气连接，以提高发电量（图1d-e）。在堆叠构型中，质子传递始终在各独立单元内部完成，不会跨单元进行。MFC单元之间不同的连接方式显著影响污染物去除效率、发电性能和微生物群落结构（Estrada-Arriaga等，2018）。该构型的主要缺点在于单元间连接产生的损耗，导致最终输出电压与单胞电压之和不一致。尽管如此，近期研究仍推荐堆叠式MFC作为规模放大应用的可行方案（Mehravanfar等，2019）。

此外，MFC还可与其他技术耦合，主要目标在于整合各项技术的优势，提升耦合系统的整体性能。例如，MFC-人工湿地系统（CW-MFC）和MFC-厌氧流化床生物反应器系统等。其中，CW-MFC在设计中利用了湿地的天然氧化还原梯度，厌氧底层作为阳极，好氧表层作为阴极，二者通过外电路连接（图1c）。在阳极区域，电活性细菌在厌氧条件下氧化有机物，电子通过胞外电子传递转移至阳极，随后流经外电路到达表层阴极并与氧气结合。质子无需跨越任何隔膜，在孔隙水水力流和电场的驱动下，从阳极区域向上迁移至阴极区域（Xu等，2018）。据报道，人工湿地系统与MFC耦合可提高废水处理效率和能源产出。

MFC领域正逐步经历一场范式转变，从依赖昂贵材料转向自然资源化利用天然矿物，后者具备低成本和生物相容性突出等显著优势。铁硫矿物是硫提取和硫酸生产的核心原料。其中，黄铁矿在全球硫化物矿物中储量最高、分布最广，主要成分为FeS?（Ge等，2019）。它常以工业固废形式存在于矿山废石和尾矿中。黄铁矿在酸性或氧化环境中容易发生分解，释放Fe2?/Fe3?和S2?/S?2?等离子，易引发酸性矿山排水（AMD）污染问题（Zhong等，2025）。由于其硬度高且具有半导体特性，黄铁矿表现出优异的电子传递能力（Chauhan等，2022）。它具有相对稳定的化学性质，既可充当电子供体，又可作为碱性物质供应源（Kong等，2016）。近年来，铁硫矿物凭借其高电导率和低成本优势，在MFC系统中展现出可观的应用潜力。然而，当前文献主要聚焦于其非生物催化氧化过程，缺乏对其在MFC中应用的系统综述。此外，如表1所示，以往关于MFC材料的综述大多集中在碳基材料和金属氧化物等一般性材料类别（Li等，2016；Yaqoob等，2020；Zhu等，2021；Kordek-Khalil等，2023；Yalcinkaya等，2024）。尚无专门针对铁硫矿物这一矿物功能材料细分领域的系统综述。本综述系统地总结并深入探讨了铁硫矿物材料在MFC中应用的研究进展，填补了这一研究空白。在众多铁硫相中，FeS?和FeS是最具代表性的两种铁硫矿物，已发表研究数量最多、在MFC研究中应用范围最广，因此构成本综述的核心范围，涵盖天然矿物相、化学合成产物以及各类改性及衍生材料。本综述全面阐明了它们在不同应用场景下的核心作用机制、影响基于铁硫矿物的MFC性能的关键因素以及未来发展前景，旨在为推动MFC技术的创新升级和规模化科学应用提供理论支持和战略指导。

文献检索于2025年10月完成，涵盖Elsevier ScienceDirect、Springer Link和Web of Science数据库。在每个主题组内，主要检索词通过逻辑运算符"OR"组合，不同主题组之间通过逻辑运算符"AND"组合。一个代表性检索式如下：("microbial fuel cell?" OR "MFC") AND ("iron sulfur mineral" OR "pyrite" OR "iron disulfide" OR "FeS?" OR "FeS")。各主题组均采用相同的OR/AND逻辑。例如，检索影响因子的文献时使用的检索式为("microbial fuel cell?" OR "MFC") AND ("temperature")以及("microbial fuel cell?" OR "MFC") AND ("external resistance")。此外，还纳入了领域特定术语，以进一步细化各子主题的覆盖范围。检索共获得455条记录。筛选前，删除了66条重复记录。根据预先设定的纳入和排除标准，在标题和摘要筛选阶段进一步排除了231条记录。文献筛选由两位作者独立进行，分歧通过讨论和共识解决。若研究存在数据质量低、材料表征不充分、实验结果不完整或仅为纯描述性内容，则予以排除。纳入研究的发表时期主要为2010–2025年，亦纳入了早期对于机理理解不可或缺的奠基性研究。依据上述标准，最终保留158篇文章用于本综述的综合与分析。

小节片段

单黄铁矿填充

人工湿地-微生物燃料电池（CW-MFCs）是一种极具前景的废水处理技术，兼具高效污染物去除和能源回收能力（Srivastava等，2020）。然而，在裸阳极条件下，产电菌对有机物去除的贡献有限，导致CW-MFC的功率密度和库仑效率低于毫升级微生物燃料电池。为应对这一问题，一种可行的策略是填充导电材料以改善性能。

黄铁矿的特性

黄铁矿的固有性质，如纯度、粒径、晶体结构和元素组成，通过调控电子传递效率、微生物附着能力和反应活性，直接影响MFC的发电性能和污染物去除效率。在纯度方面，低纯度黄铁矿通常含有黄铜矿（CuFeS?）、闪锌矿（ZnS）等硫化物杂质，以及石英（SiO?）和方解石（CaCO?），这些杂质可能损害系统性能。

挑战与展望

硫化铁矿物从实验室修复材料向工程应用的规模化推广仍面临三大主要挑战：矿物长期稳定性、环境安全风险以及回收与末端处置问题。

结论

铁硫矿物储量丰富、成本低廉，并具备独特的电化学和催化性质，在提升MFC的污染物去除和发电性能方面展现出巨大潜力。然而，反应动力学迟缓和对表面钝化敏感等固有局限性制约了其实际性能。为应对这些问题，研究人员开发了多种增强策略，包括机械活化、复合材料和微生物修饰等。

未引用参考文献

（Du等，2025；Du等，2025；Guo等，2024；Guo等，2025；Li等，2020；Li等，2016；Liu等，2023；Yaqoob等，2021；Zhao等，2023；Zhu等，2023）

CRediT作者贡献声明

张伟宏：撰写—评审与编辑，监督，项目管理，经费获取。董军：撰写—评审与编辑，监督，资源支持，项目管理，方法论，经费获取。李云浩：方法论，调查研究，形式化分析，数据管理。王丽：撰写—初稿，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念化。马晓军：方法论，调查研究，形式化分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本综述所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（资助编号42277057）的支持。作者衷心感谢编辑和审稿人提供的意见和建议。

王丽 | 马晓军 | 李云浩 | 张伟宏 | 董军