微生物：看，我在发电诶

微生物电化学是一门结合了微生物学、电化学、材料科学和环境工程等多个学科的新兴领域。它主要研究微生物与电极之间的相互作用，以及这些相互作用如何被用来转化化学能为电能，或者反过来。这一领域的研究可以追溯到20世纪初，但真正的突破发生在1980年代，当时科学家们发现了能够直接将电子从细胞内部传递到细胞外金属氧化物的细菌。

从微生物获取电能 来源:青少年科技创新报

微生物电化学的早期探索

微生物电化学的最早发现可以追溯到1910年，当时观察到微生物代谢有机底物时能够产生电压和电流。1962年，Davis和Yarbrough在Science杂志上提出了生物燃料电池的概念，这是微生物电化学系统的一种，其运行基础是微生物向阳极的胞外电子传递过程 。

Derek Lovley教授应邀做学术报告 来源:城市水资源与水环境国家重点实验室

1987年，Derek Lovley（戴瑞克·拉夫莱）教授和Kenneth Nealson教授分别发现了两个重要的电活性微生物模式菌属：Geobacter metallireducens GS-15和Shewanella oneidensis MR-1。这些发现为微生物电化学领域的发展奠定了基础。

金炳弘在授课 来源:城市水资源与水环境国家重点实验室

到了1999年，韩国科学技术研究院的Kim Byung Hong (金炳弘)教授发现，在200多株Fe(III)还原菌中，80%的菌株都具有电化学活性，这一发现极大扩展了微生物电化学现象的应用潜力。

Bruce E.Logan教授在实验室 来源:PennState

2004年，美国宾夕法尼亚州立大学的Bruce E. Logan（布鲁斯·欧内斯特·罗根）教授和刘红（Liu Hong）博士开发了单室式空气阴极微生物燃料电池反应器，验证了微生物电化学技术用于污水处理与同步电能回收的可行性。

微生物电化学技术的应用

近年来，微生物电化学技术在环境科学与工程领域的应用逐渐增多，包括废水处理、营养盐回收、微生物电化学修复、微生物电化学合成等。这些技术不仅能够处理废水中的有机污染物，还能回收能源，甚至生产高附加值的化学品。

微生物电化学技术为公共卫生间提供照明用电 来源: ChemElectroChem

现代研究继续探索微生物电化学系统的新应用，如海水淡化、沼气转化为甲烷、生物传感器等。此外，研究人员还在探索如何提高这些系统的能量效率和规模化生产的可能性。

尽管微生物电化学技术展现出巨大的潜力，但仍面临一些挑战。例如，产电微生物与电极界面间的胞外电子传递效率低以及生物被膜形成能力弱限制了微生物电化学技术在有机物降解、电能生产、海水淡化、生物修复和生物传感等方面的应用。因此，强化产电微生物与电极界面间的相互作用是过去几年的主要研究热点。

研究人员已经开发了多种策略来增强微生物-电极间的相互作用，包括通过合成生物学手段改造细胞、导电纳米材料修饰细胞以及电极表面固定化细胞等。这些策略旨在优化或外源引入电子传递元件的生物合成路径，直接调控细胞电子传递路径，提高产电微生物的胞外电子传递效率。

微生物电化学的未来展望

未来，微生物电化学领域的研究可能会集中在以下几个方面：深入解析产电微生物的胞外电子传递和生物膜形成机制；开发具有生物相容性好、导电性能强、负载量大、稳定性好且成本低等优势的活性生物电化学复合材料；以及基于微生物-电极之间的相互作用，深入研究导电材料修饰细胞、电极表面固定化细胞等方法在强化微生物与电极之间电子传递效率的过程中所起到的作用。

总之，微生物电化学是一个快速发展的领域，它结合了多个学科的知识，为环境保护和能源生产提供了新的解决方案。随着对电活性微生物的深入了解和新技术的开发，微生物电化学有望在未来发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]付杰, 李传福. 微生物燃料电池：向废物要能量[N].青少年科技创新报,2024-07-19（06）.

[2]冯玉杰 任南琪 李达 何伟华 等/著. 微生物电化学原理与应用（M）. 科学出版社. 2022-07.

[3]Zhang, L., Zhang, Y., Liu, Y. et al. High power density redox-mediated Shewanella microbial flow fuel cells. Nat. Commun. 15, 8302 (2024).

[4]Li C, Liang D, Tian Y, et al. Sorting Out the Latest Advances in Separators and Pilot-Scale Microbial Electrochemical Systems for Wastewater Treatment: Concomitant Development, Practical Application, and Future Perspective[J]. Environmental Science & Technology, 2024.

作者：李传福，浙江省科普联合会《科小二》编委会编委，中国科普作家协会会员，英国皇家化学会会员（MRSC），浙江科学传播大赛金奖获得者，有作品入选甘肃科普协会年度十大科普作品。