综述：微生物电化学技术赋能电气化未来：如何实现梦想？

《TRENDS IN Biotechnology》：An electrified future with microbial electrochemical technologies: how to realize the dream?

　　

微生物电化学技术（METs）正通过电极与微生物的协同作用，在多个领域涌现创新应用。如果METs能够成为废水处理循环性的关键会怎样？如果METs可用于将电力和CO₂或废弃物转化为有价值的有机物会怎样？如果新生物启发材料可通过METs生产会怎样？如果METs可用作智能生物传感器会怎样？研究人员对METs在四个领域（水处理、工业生物技术、电子学和生物传感器）中的未来前景提供了愿景。研究人员展示了METs能够推进或取代现有先进技术的原因与方式，并讨论了为使METs成为微生物驱动的电气化未来之一部分所必须克服的挑战。

**电活性微生物的突破性应用（Breakthrough applications of electroactive microbes）**
论文首先回顾了电活性微生物的研究历程：早在130多年前就有假说认为微生物能够驱动胞外氧化还原反应以获取能量；随后研究者证明了微生物可与电极交换电子并产生微弱电流；20世纪末又发现电极供电子可促进微生物生长和发酵能力。基于这些能力发展出微生物电化学技术（METs），即利用电活性微生物在电极上形成生物膜，并以电极为电子供体或受体支持代谢。该部分概述了METs的基本原理：微生物燃料电池（MFCs）中阳极生物膜将有机物氧化为CO₂并释放电子，产生电能；微生物电解池（MECs）通过外加电源提升电子能量，实现阴极产氢；微生物电合成系统（MESs）则利用阴极微生物将CO₂等碳源转化为化学品。胞外电子传递（EET）可通过直接接触（如多血红素细胞色素）或通过电子穿梭体介导（如黄素、吩嗪、氢气）实现。过往突破包括在生物阳极上直接转化乙酸盐为电能，以及在生物阴极上由CO₂和电生产乙酸盐。METs的独特之处在于可通过精确控制电极电位满足微生物能量需求，实现选择性和转化，且微生物具有自我再生和适应性，从而降低成本和延长寿命。

**愿景1：循环废水处理实现资源回收（Vision 1: circular wastewater treatment for resource recovery）**
**梦想（The dream）**
该愿景设想METs能够实现生活与工业废水处理的完全循环性，回收所有可用资源和能量，并将满足用途、无污染的水安全返回环境、农作物甚至直接供应给用户。通过将市政废水分为黑水、灰水和雨水，分别回收磷、氮等营养物（转化为肥料）、能量（电、甲烷、氢）以及重金属，并实现脱盐和地下水原位修复。该方向与欧盟城市废水处理指令一致，要求到2045年实现能源完全自给和营养物循环回收。

**现状（Where are we now?）**
**营养物回收（Nutrient recovery）**
METs可回收氮和磷，尤其适用于高浓度工业废水。基于电驱动的铵迁移和阴极pH升高可实现氨回收，能耗为1–4 kWh/kg-N，但回收速率约100 g-N/m²d。磷可通过阴极局部碱度诱导鸟粪石（MgNH₄PO₄·6H₂O）或磷酸钙沉淀实现回收，能耗21–56 kWh/kg-P。厌氧消化液是理想来源，可回收约20%的入厂氮。相比化学沉淀法，METs无需昂贵化学试剂。

**能量回收（Energy recovery）**
METs的能量以电、氢或甲烷形式回收。若利用废弃物中的有机和无机电子供体，理论上可回收超过80万GWh化学能。高能量回收需同时具备高库仑效率和高电压效率。乙酸盐氧化阳极库仑效率可达100%，但复杂底物会降低；电压效率受电极过电位和欧姆损耗影响。

**金属回收（Metal recovery）**
微生物电冶金（MEM）利用电活性微生物和电极驱动金属的还原、氧化、沉淀或电沉积，实现选择性金属回收。对不同金属的去除效率大多在80%以上，如Cr(VI)达99.5%，Cu、Au超99%，Hg为98–99.5%。沉积在阴极上的金属有时具有电催化性质，如催化产氢或甲酸盐。

**水处理（Water treatment）**
在资源回收后，METs可进一步降解有机和无机污染物，例如硝酸盐、有机氯化合物、聚乙烯、农药和全氟/多氟烷基物质（PFAS）。电极和微生物的协同作用增强了污染物降解和原位修复能力，例如与人工湿地结合形成电活性生物过滤器。此外，微生物脱盐电池可利用废水能量从微咸水生产饮用水，但需解决浓盐水产生和生物膜污染问题。

**未来方向（Where do we go?）**
**低成本材料生产（Production using low-cost materials）**
需要开发易制造、稳健、适用于长期运行的电极和反应器配置，缩短电极间距以降低内阻。碳基电极材料成本较低，但对电极催化剂需进一步优化以降低过电位。可利用天然导电矿物扩展电极影响范围，增强地下水原位修复能力。膜材料需支撑离子流、降低电阻且低成本，并提高长期稳定性。

**适应实际条件（Adaptation to real-world conditions）**
目前MET性能多基于人工废水、最佳温度等理想条件；实际复杂废水、温度波动会导致性能下降。需要理解废水组分对微生物群落组成和异质性的影响，并主动调控微生物竞争和互养关系。低电导率稀释废水是挑战，应降低对高导电性和碱度的依赖，并通过实验设计、代谢建模系统优化。

**针对新兴污染物和重金属（Targeting emerging pollutants and heavy metals）**
METs对微量污染物（如PFAS）的降解仍有巨大潜力，但需研究实际浓度下的降解途径和转化产物。发展吸附-氧化还原耦合反应及动力学匹配，并与快速碳消费者竞争问题相结合，将METs作为处理链路中的抛光步骤。污染物降解菌与电活性菌的协同作用对提高降解效率至关重要。

**与互补技术集成（Integrating with complementary technologies）**
METs并非万能，应与其他简单、低成本技术互补，形成处理链。在需要高选择性和高转化效率的位置部署METs，其他位置采用高通量低维护技术。具体配置和组合取决于地点和规模，以及季节变化。

**愿景2：电驱动微生物平台生产有价值的有机化合物（Vision 2: electrified microbial platforms for the production of valuable organic compounds）**
**梦想（The dream）**
设想METs能够将电能和CO₂转化为有价值的化学品和能量载体，或将废水有机物转化为多种高值有机产物。未来将超越目前已有的短/中链羧酸、醇和甲烷，生产聚合物、润滑剂、香料、涂料、化妆品、药品、燃料、饲料或食品配料等。通过厌氧和微好氧微生物电化学过程（即电发酵）实现，并可与可再生能源灵活整合。应用场景包括集中式工业设施、家庭小规模储电、海上浮式燃料站以及太空闭环生命支持系统。

**现状（Where are we now?）**
实验室和中试规模已证明多种化合物的MET生产可行性。CO₂供应已超越概念阶段，但中试规模的产乙酸生产率、能量效率和下游分离仍制约应用。氢介导羧酸生产已扩展至中链羧酸（如己酸）、醇（如乙醇）和单细胞蛋白。动态操作条件（如电极极化改变、间歇阳极电位、碳饥饿）可用于引导蛋白质生产或增强聚羟基脂肪酸酯（PHAs）等储存化合物。紫色光合细菌在极化光微生物电化学移动床反应器中PHB生产率是非极化反应器的4倍。MET的CO₂还原电流密度在放大后（0.1–0.3 mA/cm²）仍低于实验室（0.1–20 mA/cm²）和传统电解槽（20–1000 mA/cm²），但MET具有长期稳定性和高法拉第效率，并能生产更复杂的产物。

**未来方向（Where do we go?）**
**使微生物适应带电条件（Adapting microbes to electrified conditions）**
需要开发高通量微型平台，用于分离、鉴定和表征电活性微生物及其EET过程。研究人员需通过合成生物学改造微生物以提高EET能力、代谢通量和耐受性，并对纯培养菌株进行适应性实验室进化（见框2：高性能电活性微生物和稳健MET培养物）。筛选应关注微生物在电化学条件下（pH、盐度、剪切力）的存活能力，同时通过强制对流、流化电极或优化电极表面生物相容性来强化传质。

**追踪、操控和引导代谢途径（Tracking, manipulating, and steering metabolic pathways）**
对现有产品（甲烷、羧酸、醇）提高选择性是改善技术经济性的关键。需要利用同位素标记（如¹³C、¹⁵N）、宏基因组和转录组分析来识别代谢途径，并研究饥饿、营养物、温度、抑制剂和电压等选择压力对代谢转向和产物形成的影响。

**放大与堆叠METs（Scaling up and stacking METs）**
从实验室走向应用需要设计可堆叠的放大反应器，在可接受能耗下提高体积速率。挑战包括堆叠构型、材料选择、电流分布、流体特性，以及堆叠连接和电位/电流控制。同时需要监测和恢复微生物活性的策略。对MES而言，依赖高压高纯CO₂气体是技术经济瓶颈；未来应与碳捕集技术直接耦合，采用富含碳酸氢盐的电解质，避免能量密集的CO₂解吸和加压步骤。

**与产物回收集成（Integration with product recovery）**
产物回收可提高经济价值并促进产物生成。可采用有机溶剂、树脂、膜或过滤旁路进行原位产物分离。根据产物纯度和价值，可以直接提取，或增加二级发酵反应器升级产物。需评估电解质溶液性质（pH、盐度）与发酵过程的兼容性。

**与可再生电力集成（Integration with renewable electricity）**
METs能在波动电力条件下运行，成为电网缓冲手段。电容电极材料可临时储存电子；溶解性穿梭体（如醌类、甲酸盐、氢）也能在小时至天尺度缓冲。通过氢介质传递时，需最大化溶解氢转移，避免加压。低电流密度（<1 mA/cm²）时无气泡可获高库仑效率，但高电流密度会导致气泡和碱化，从而降低效率。提高电流密度可通过培育高活性阴极生物膜或采用悬浮培养。此外，在电力过剩时生产PHAs等储存化合物也是一种策略。还需缓解长期能量饥饿造成的代谢转变和产物氧化。

**多尺度建模（Multiscale modeling）**
多尺度建模涉及电极-溶液界面、电极/流道、反应器尺度，并整合生物膜或代谢途径，计算挑战大，但结合实验数据可快速模拟过程条件、材料和构型的影响。数据驱动的人工智能/机器学习有望成为变革性工具。

**愿景3：生物电子学和生物启发导电材料（Vision 3: bioelectronics and bioinspired conductive materials）**
**梦想（The dream）**
设想利用电活性微生物生产具有导电性的生物材料（如生物导线）和生物电子设备。天然生物导电结构（如导电菌毛、厘米级电缆细菌）可被收集用于生物电子学，并与电极集成制成下一代可穿戴健康监测设备或植入式电子元件。同时需开发具有本征导电性的生物启发材料，使电活性微生物直接与纳米粒子或光敏系统连接。

**现状（Where are we now?）**
自发现地杆菌（Geobacter）胞外纳米线和电缆细菌的导电性以来，导电聚合物生产取得进展。电子-酶集成（如氢化酶光活化）为电子学与全细胞催化结合提供了灵感。微生物衍生物还可用于超级电容器。

**未来方向（Where do we go?）**
**可扩展生产（Scalable production）**
需要开发可扩展平台，以高产率、稳定性和均匀性生产胞外纳米线和其他导电材料。目前电缆细菌无法纯培养，限制了大规模生产。需探索基因工程方法使微生物生产电子部件。

**耐久性与稳定性（Durability and stability）**
材料需在外部物理化学压力下（压力、光、水、盐）维持功能。需要长期测试平台和标准来评估导电性等关键性质的稳定性。电活性菌已被掺入水泥中作为（超级）电容器，显示出韧性。可通过合成生物学增强纳米线生产和功能。目前只有少数电活性物种可进行基因操作，需开发更高效的工程策略。

**可生物降解性和可回收性（Biodegradability and recyclability）**
MET基材料在运行中需稳定耐久，但寿命结束后应可生物降解或回收。设备设计应便于分离导电部件，可采用电化学或磁分离技术，再利用循环伏安法或电化学阻抗谱（EIS）结合光学技术评估导电性和可重用性。需研究完全降解条件和避免电子垃圾。

**愿景4：用于环境和医学传感器应用的微生物电化学技术（Vision 4: microbial electrochemical technologies for environmental and medical sensor applications）**
**梦想（The dream）**
设想METs作为高分辨率生物传感器，实现自供能实时检测水质、过程条件和污染物；并可用于人体内部监测甚至调控生理过程。这种生物杂交配置可控制药物释放，并应用于癌症、肥胖和衰老相关健康管理。

**现状（Where are we now?）**
已有MET生物传感器用作快速原位生化需氧量（BOD）传感器，并可检测地表水、地下水污染物（重金属如Hg、As、Pb；有机物如甲醛、乳酸）。电活性微生物还可作为酶传感器的替代品，如胰岛素检测。BOD传感器可利用外部电源，而自主能源供应也有进展，可穿戴导电生物膜片在接触出汗皮肤时产生电流；可摄入产电系统已实现稳定运行1周以上。在肠道中，普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）可进行介导EET；废水中已证明微生物可感知氮。特定纯培养系统（如电氨氧化）可实现高选择性氨传感器。基因工程已设计出针对雌激素的生物传感器。

**未来方向（Where do we go?）**
**稳定自主运行（Stable autonomous operation）**
传感器需将电活性微生物限制在受控空间，防止泄漏和污染。材料选择需兼顾稳健性、安全性和法规要求。长期微生物-电极整合和微生物存活是关键；健康应用还需小型化、生物相容、抗污染和耐腐蚀设备，并需人体试验和吞咽便利性考量。

**信号灵敏度（Signal sensitivity）**
检测范围取决于目标化合物浓度和细胞摄取能力。若分析物难以进入胞内或丰度低，电化学信号可能低于检测阈值。需设计传感器平台以增强分析物可达性和灵敏度，并适用于低导电性环境。

**信号选择性（Signal selectivity）**
需要开发高通量筛选以识别关键代谢物、氧化还原信号或目标物，并建立信号-代谢物相关性。合成生物学可构建特定污染物检测菌株，并使用CRISPR-Cas等工具实现对激素、神经递质和群体感应分子等生理调节因子的选择性响应。需要理解信号形成机制，微型METs可用于模拟相关条件。

**检测实时响应（Real-time response to detection）**
根据检测输入做出行动响应需要先进机器学习和合成生物学工具。电流或EIS信号需转化为选择性信号并激活反馈机制。工程化电活性微生物可通过多步生化转化感知人类代谢分析物，并利用基因传感电路控制电活性，进而触发药物释放或过程参数调节。

**关键性能指标（Key performance indicators）**
METs的评估传统上依赖电化学指标：电流密度（A m^-2）、库仑效率（%）、功率密度（W m^-2）和内阻（Ω）。然而，针对不同应用，需按功能目标分类KPI。例如：循环废水处理应关注去除效率、回收产率、能量回收/输入、功率密度和转化率；有价值化合物生产需关注产物相关能量效率（η_P）、选择性、生产率、产物浓度和电流效率；生物电子学需关注导电率（mS/cm）、寿命、耐久性和机械强度；传感器应用需关注响应时间、灵敏度、检测限、稳定性/重复性和特异性。

**METs与类似技术的基准比较（Benchmarking METs against comparable technologies）**
对MET应用进行技术经济评估（TEA）表明，商业可行性取决于高效生物电催化与资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）的平衡。废水处理METs的商业理由主要来自废物处理信用（避免曝气和污泥处置），而非电/氢销售；电极材料和膜更换是CAPEX主要因素。合成平台的经济性受面积生产率、电价敏感性及下游分离成本制约。需通过标准化经济报告KPI支持生命周期和技术经济建模。METs的竞争优势包括：高选择性和转化效率、单反应器特种产物生产、可生物降解电活性材料、以及传感器中微生物信号触发响应。目前循环废水处理和生物传感器最接近应用（TRL 4–9），有价值化合物生产多处于中试（TRL 5–6），生物启发导电材料和医学传感器仍处于初期（TRL 1–5）。法规激励和原材料自给需求将加速进展。

**结论与未来展望（Concluding remarks and future perspectives）**
克服METs的研究挑战（如低成本反应器设计、废水组分影响、代谢调控、放大策略等）将推进各愿景。多尺度建模、微生物/合成生物学方法、传感器稳定性和信号解读将引导未来实验。最终目标是开发稳健的电极-微生物组合，理解并控制电活性微生物代谢，使METs从实验室走向大规模堆叠系统和植入式微型设备，并拓展至难以预见的应用领域。