引言
微生物电化学技术（METs），包括微生物燃料电池、微生物电解细胞、微生物电合成系统和微生物电化学传感器，为将微生物代谢与胞外电子界面耦合提供了有前景的平台（Fan et al., 2024, Rabaey and Rozendal, 2010），从而实现废水处理（Cao et al., 2021, Chen et al., 2026a, Chen et al., 2026b, Wang et al., 2016, Xiao et al., 2021, Yan et al., 2018）、资源回收（Logan & Rabaey, 2012）、生物传感（Choi, 2022, Han et al., 2023, Li et al., 2025a）、电发酵（Tejedor-Sanz et al., 2022）以及通过微生物电合成可持续生产高附加值化学品（Li et al., 2025b, Xie et al., 2023）。METs 的生物学基础是一种被称为胞外电子传递（EET）的微生物代谢过程，通过该过程，电活性微生物（EAMs）与胞外电子受体或供体交换电子，包括矿物和电极（Aiyer and Doyle, 2022, Shi et al., 2016）。然而，METs 的性能和功能范围仍然受到目前可用于高效和可控 EET 的有限微生物资源的限制。
迄今为止，METs 的发展在很大程度上依赖于天然存在的 EAMs，特别是模式 EAMs 如 希瓦氏菌 和 地杆菌（Logan et al., 2019）。这些 EAMs 为自然 EET 机制提供了基本见解，并支撑了多种 METs 的发展。然而，许多 EAMs 在底物利用、产物合成、环境适应性或遗传可及性方面仍显示出局限性（Harnisch et al., 2024）。此外，迄今为止只有一相对有限数量的微生物被系统表征为 EAMs，这限制了可用于 METs 发展的生物多样性（Logan et al., 2019, Paquete et al., 2022）。虽然从目标环境中分离新的 EAMs 可以直接扩展 EAMs 多样性，但由于需要广泛表征以阐明其 EET 和代谢途径，这通常很耗时（Szydlowski et al., 2022, Yuan et al., 2014）。因此，下一代 METs 不仅需要探索自然 EAMs，还需要将电活性扩展到为特定功能任务选择的微生物中。
非经典电活性微生物（非经典 EAMs）是指那些通常不被归类为经典 EAMs 的微生物，其天然 EET 能力未被明确证明或相对较弱，从而限制了高效的电子传递，例如 大肠杆菌（Kundu et al., 2025）、弗氏柠檬酸杆菌（Xiao et al., 2021）、金黄色葡萄球菌（Zhang et al., 2023b）、肠梭菌（Liu et al., 2024）。然而，许多非经典 EAMs 拥有多样化的代谢能力、成熟的遗传工具、表征良好的调控网络以及既定的工业或环境应用背景（d'Espaux et al., 2017, Pontrelli et al., 2018）。它们可以降解污染物、合成高附加值化学品，并耐受恶劣的环境条件（Kim et al., 2025, Nielsen and Keasling, 2016）。这造成了一个核心错配：非经典 EAMs 提供了理想的代谢功能，但无法与电极有效连接。人工 EET 工程通过使非经典 EAMs 能够与电极建立有效的电子连接，提供了一种有前景的解决方案。合成生物学和导电材料的最新进展使得在多种非经典 EAMs 中构建人工 EET 成为可能（Atkinson et al., 2022, Kundu et al., 2025, Wang et al., 2026）。在此背景下，关键挑战不仅仅是增加电流输出，而是确定工程化电子流是否能高效、定向且稳定地耦合到目标代谢或环境功能中。
几篇先前的综述总结了自然 EET 机制、电活性生物膜、EAMs 富集以及通用的 METs 应用（Harnisch et al., 2024, You et al., 2023, Zhang et al., 2023a, Zhang et al., 2024a）。然而，很少有人批判性地检查如何将人工 EET 合理地安装到非经典 EAMs 中，以及产生的电子流是否能与特定应用功能耦合。本综述重点关注非经典 EAMs 中的人工 EET 工程，通过总结自然 EET 机制作为设计模板，比较直接电子传递（DET）、电子穿梭介导的间接电子传递（IET）和电活性生物膜工程，并讨论它们在微生物生物传感、微生物电合成、二氧化碳转化、废物增值和污染物修复中的应用。最后，确定了关键研究需求，包括需求驱动的策略选择、功能性电子流分析、动态通量控制、稳定的生物膜界面和标准化的性能评估。
