《Environmental Microbiology Reports》：Electroactive Microbiomes: Electron Transfer Mechanisms and Environmental Biotechnology Applications
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电活性微生物组（electroactive microbiomes）是混合微生物群落，其中至少一个成员与胞外矿物、氧化还原活性化合物、电极或伙伴生物交换电子，且群落相互作用实质性地影响净电子流。本综述建立了一个机制-界面-功能-成熟度框架，将胞外电子转移（ex
电活性微生物组（electroactive microbiomes）是混合微生物群落，其中至少一个成员与胞外矿物、氧化还原活性化合物、电极或伙伴生物交换电子，且群落相互作用实质性地影响净电子流。本综述建立了一个机制-界面-功能-成熟度框架，将胞外电子转移（extracellular electron transfer, EET）与生物膜生态学、微生物组-电极组织、环境过程性能和转化成熟度联系起来。通过多血红素细胞色素和导电结构的直接转移、通过可溶性氧化还原穿梭体的介导转移以及种间电子转移被评估为系统依赖性路径，而非普遍排序的机制。特别强调废水处理与资源回收、厌氧消化、污染物和金属转化、土壤和沉积物生物电化学、碳转化、微生物燃料电池、微生物电解池、电发酵和微生物电合成。多组学、代谢建模、合成生物学、先进材料和人工智能根据其在电活性系统中的直接证据强度进行了审查。在各类应用中，性能强烈依赖于反应器构型、电极特性、接种物、生物膜结构、质量和电荷传输、底物负荷以及归一化基础，这使得不恰当的跨研究数值比较无法成立。主要障碍包括长期稳定性、混合群落中的机制归因、标准化、放大、能量和质量平衡、生物安全、技术经济可行性和监管兼容性。
1 引言
电活性微生物组指至少一个成员能够进行胞外电子转移（EET）的混合群落，其群落相互作用、空间组织和代谢耦合显著影响净电子流和系统功能。本综述采用机制-界面-功能-成熟度分析框架，将分子电子转移机制、生物膜生态、电极界面组织、环境过程性能和转化成熟度相联系，并强调直接、介导、种间电子转移均为系统依赖性途径。应用领域涵盖废水处理、资源回收、厌氧消化、污染物转化、土壤沉积物生物电化学、碳转化及多种生物电化学系统。综述还强调证据强度，指出跨研究数值比较必须考虑反应器构型、电极性能、接种物、生物膜结构、传质和归一化基础等背景。
2 方法学
本综述采用结构化批判性叙述综合方法，检索Scopus、Web of Science、PubMed和Google Scholar等数据库，构建包含“电活性微生物组”“胞外电子转移”“微生物纳米线”“种间电子转移”等概念块的检索式。文献按机制相关性、环境相关性及对电活性系统设计的直接贡献进行筛选和证据分级。定量结果仅在反应器构型、电极面积、底物负荷、运行条件等实验背景下解释，不兼容归一化基础的数值不被视为直接基准。
3 电活性微生物组基础
3.1 定义电活性微生物组：二元分类问题
将微生物简单划分为电活性或非电活性的二元框架虽有助于模式菌株（如Geobacter sulfurreducens和Shewanella oneidensis）研究，但无法适应混合群落中通过协作或空间组织产生的电活性。电活性应视为情境依赖性特征，直接转移与介导转移的相对速率取决于生物体、介体性质、电极材料、生物膜结构及传质条件。
3.2 分类多样性：介于过度泛化与过度特化之间
过度依赖模式属低估了电活性微生物的系统发育多样性。基于16S rRNA基因的系统发育标记不能可靠预测电活性功能，因为功能基因的存在与否可能与系统发育脱钩。发展针对EET功能性状的数据库（如扩展BactoTraits方法）可能减少对系统发育代理的依赖。
3.3 生态分布：环境过滤与接种物来源效应
电活性微生物广泛分布于沉积物、土壤、湿地、废水系统等生境。环境过滤作用显著，例如溶解氧和无机氮影响群落组装。接种物来源对富集结果影响较大，但目前尚缺乏预测性框架，反应器开发仍依赖逐案例经验优化。
3.4 进化意义：适应价值与祖先约束
电活性在厌氧环境中可提供能量优势，但祖先起源假说仍待验证。比较基因组学显示EET途径具有进化多元性，包括保留、谱系特异性丢失、水平基因转移和独立创新。预测电活性潜力应区分已证实的EET机制与基因组潜能。
4 胞外电子转移机制
4.1 直接电子转移
直接电子转移通过多血红素c型细胞色素和导电丝状结构实现，如OmcS细胞色素丝和导电菌毛。对于Geobacter导电丝的身份仍有争议，不同生长条件、菌株背景和制备方法可选出不同结构。模式菌株的结论不能自动推广至混合群落，机制归属需结构、遗传、电化学和生理证据。
4.2 间接电子转移
间接电子转移依赖可溶性氧化还原穿梭体（如黄素、醌类、腐殖质）在细胞与胞外受体之间循环电子。该路径可克服空间限制，但并非总有利；介体性能取决于氧化还原电位、分子大小、毒性、扩散性和对竞争性电子汇的影响。腐殖质介导的反硝化和微生物电合成实例表明，介体策略需与系统架构匹配。
4.3 种间电子转移
种间电子转移包括H
2/甲酸介导途径和直接种间电子转移（DIET）。导电材料添加可促进产甲烷和系统稳定性，但不能单独证明DIET；需结合伙伴关系、EET相关基因表达、导电性、电化学行为及过程响应等多重证据。混合群落中多种转移途径可共存并随条件变化。
5 电活性生物膜和微生物组-电极界面
电活性生物膜是微生物电化学系统的活性反应层，其厚度、胞外聚合物（EPS）组成和内部梯度显著影响电子转移和传质。生物膜最优厚度因系统而异，例如Geobacter系统约20 μm。电极材料需兼具高导电性、化学稳定性、生物相容性和可扩展性。界面优化需同时控制生物学、材料和操作因素，性能提升取决于微生物活性、生物膜结构、电极表面化学、底物扩散和质子传输的协同匹配。
6 多组学和计算工程
6.1 基因组学与宏基因组学
基因组和宏基因组可鉴定EET相关基因和群落互作潜力，但基因存在不证明电子通量。结合电化学条件的宏基因组和宏蛋白质组研究可揭示实际表达的电子转移特征。
6.2 转录组学与蛋白质组学
转录组和蛋白质组学可缩小遗传潜力与主动功能之间的差距，例如阳极和阴极EPS中不同氧化还原蛋白特征。但表达变化需与电流、循环伏安、代谢物测定或扰动实验关联，才能支持机制判断。
6.3 代谢网络建模
基因组尺度代谢模型可分析碳和还原当量分配，预测共培养中的代谢瓶颈。例如Shewanella-Geobacter共培养模型用于改进微生物燃料电池产电。模型预测依赖注释和边界假设，需与实验数据迭代验证。
6.4 人工智能与机器学习
人工智能/机器学习可处理多变量关系，用于预测反应器性能、不确定性量化和特征排序，例如深层时间序列模型预测土壤微生物燃料电池产电。但这些模型不建立因果，应作为受机制约束的决策支持工具。
6.5 合成生物学与基因组工程
合成生物学已在模式菌株（如Shewanella oneidensis）中实现EET相关功能编程和基因组编辑。然而在未定义的混合微生物组中，生态稳定性、竞争、水平基因转移和生物安全使基因型到过程的预测复杂化。
7 环境和生态应用
7.1 废水处理与资源回收
废水处理是电活性微生物组最成熟的环境应用，涉及化学需氧量（COD）去除、电流产生及甲烷或氢气回收。性能受反应器构型、电极材料、底物类型和群落结构强烈影响。中
