《Bioresource Technology》：Plant microbial fuel cells: a self-sustaining bioelectrochemical technology addressing sustainable development goals through bioelectricity production
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微生物燃料电池（MFCs）在生物电能生产与废水处理中面临底物快速耗尽问题，植物微生物燃料电池（PMFCs）通过植物根际分泌物持续供能并促进氮循环。本文系统阐述PMFCs的工作原理，重点分析植物选择、微生物多样性及电极设计的优化策略，揭示其协同处理废水、修复土壤及固碳的生态价值。同时评估规模化应用中的电化学限制、结构缺陷及现场性能挑战，论证其与联合国SDGs在清洁能源、水净化、可持续农业及气候行动中的战略契合性。
冈达·莫哈纳克里希纳（Gunda Mohanakrishna）| 贝什纳维·I·库达里莫蒂（Vaishnavi I. Kudarimoti）| 莎拉卡·苏尼尔·坎布尔（Shalaka Sunil Kamble）| 斯内哈·普拉卡什·奈克（Sneha Prakash Naik）| 苏里亚万希·马尼莎（Suryavanshi Manisha）
印度卡纳塔克邦胡巴利市KLE技术大学高等科学学院能源与环境中心，邮编580031
摘要 微生物燃料电池（MFCs）被视为一种环保的生物电力生产方式，同时还能处理废水。然而，MFCs存在一个显著的限制，即微生物会迅速消耗底物。在这种情况下，植物微生物燃料电池（PMFCs）在解决这一问题中发挥着重要作用。植物根系分泌物中含有有机酸和糖类，这些物质可作为持续的电子供体，被产电微生物（如Geobacter ）代谢以驱动细胞外电子转移，而固氮菌类（如Nitrosomonas ）则将底物氧化与氮循环过程联系起来。本文综述了PMFCs在能源生产和环境修复方面的多重功能，强调了植物选择、微生物多样性和电极设计对性能的关键影响。此外，还讨论了植物-微生物-电极在生物发电中的相互作用，以及其在废水处理、土壤修复和精准农业中的潜力。同时，评估了MFCs的可扩展性挑战，包括电化学限制、设计约束以及试点研究中的现场性能表现。通过将可再生能源生产与生态系统服务相结合，PMFCs与联合国多个可持续发展目标（UN SDGs）高度契合，尤其是在清洁能源、水净化、可持续农业和气候行动方面。
引言 由于人口增长和传统及不可再生资源的使用，环境问题日益严重，全球对可持续性的追求也愈发迫切（Venkata Mohan等人，2009；Shibata等人，2015；Gong等人，2024）。这一追求源于两个相互关联的问题：迫切需要从化石燃料转向可再生能源系统，以解决人为造成的环境污染问题，特别是氮循环的紊乱（Mohanakrishna等人，2020；Sivagami等人，2023）。农业径流会带来化肥、农药和沉积物等污染物，导致水生生态系统污染；未经处理的工业废水和灌溉则导致氮过量积累，破坏水生栖息地（Bashir等人，2020；Mishra等人，2023）。营养过剩会导致富营养化，进而恶化水质和生物多样性（Naik和Mohanakrishna，2024；Wang等人，2021；Yang等人，2008）。应对这些多重挑战需要开发创新的多功能技术，以实现清洁能源生产和受污染生态系统的修复，从而推动更加循环和可持续的生物经济发展（Osman等人，2024）。
全球对可持续性的需求推动了众多生物技术的发展，以应对这些双重挑战和能源危机。在生物技术中，植物微生物燃料电池（PMFC）是环境生物技术和可再生能源领域的创新进展（Ancona等人，2024；Chong等人，2025）。PMFC属于一种生物电化学系统，利用土壤中植物与微生物群落之间的自然共生关系产生生物电力。植物通过根系不断向根际土壤释放有机物质（如糖类、氨基酸和有机酸），这一过程源于光合作用（Chiranjeevi等人，2012；Koo等人，2005；Ma等人，2022）。根系分泌物为根际中的电活性细菌提供电子供体，并转化为电能和二氧化碳（CO2 ）。通过微生物氧化释放的电子随后传输到阳极，再通过外部电路到达阴极。阴极位于有氧环境中，与阳极形成对比（Ancona等人，2024；Chiranjeevi等人，2019）。与传统的MFC相比，PMFC具有持续稳定的电子供体供应，因此具有优势（Roy等人，2023）。此外，基于MFC的系统的实际可行性受到高资本成本的制约，反应器配置和电极材料是主要的经济负担。相比之下，PMFC通过无需昂贵的质子交换膜即可实现原位电极部署，从而扩展了其在非沼泽生态系统中的分散式和可扩展能源回收潜力（Nitisoravut和Regmi，2017）。
除了主要功能外，PMFC还深度参与土壤中的氮转化过程，包括硝化、反硝化和铵的吸收。这些反应均发生在根际-电极界面，对调节植物生长和废水处理至关重要（Chong等人，2025）。Nitrosomonas 、Nitrobacter 和Pseudomonas 与产电细菌（如Geobacter 和Shewanella ）共同参与氮循环（Das等人，2022；Mosley等人，2022）。这些相互关联的反应通过消除废水中的有害成分来促进植物生长，构成了一个多功能平台。然而，关于PMFC的研究仍较为有限。大多数研究集中在优化电极材料、微生物富集和植物选择以提高发电量上。也有研究探讨了PMFC的氮去除能力，因此需要更广阔的视野，将PMFC视为一个集成的能源生产和可持续环境系统。将PMFC从实验室原型发展为可扩展的多功能系统对于实现可持续发展至关重要。
当前文献（2023–2025年）聚焦于解决PMFC可扩展性和长期可持续性的主要研究空白。Arliyani等人（2024）展示了混合构建湿地微生物燃料电池（CW-MFC）系统在处理渗滤液和农业废水方面的潜力，表现出更好的污染物去除效果（COD/氮：25–40%）和更高的生物电力产量（10–20 mW/m2 ）。这得益于经过生物炭处理的电极，它们在根际区域形成了更好的生物膜，并通过植物-微生物间的协同作用降低了欧姆损耗。Naha等人调查了MFC研究的最新进展，指出使用Phragmites构建的屋顶型PMFC通过堆叠技术降低了内部电阻40%，一年后电压恢复率提高了85%，但阴极污染程度增加了2–3倍（Naha等人，2023）。Bose等人探讨了PMFC在户外应用中的商业化可能性（Bose等人，2025）。管状结构的PMFC效率提高了2.5倍（最高达28%），并且由于自清洁水动力原理，维护成本降低了30%，尤其是在温度<6°C且废水成分多变的情况下。Gupta等人研究了其他类型的MFC，指出尽管试点系统的功率损失达50–70%，但PMFC的协同效应仍能带来额外的可持续性收益（Gupta等人，2023）。
PMFC的多功能性使其与多个联合国可持续发展目标（SDGs）高度契合。本文全面概述了PMFC，特别强调了其在氮代谢和电力生产中的双重作用，并探讨了其对实现全球可持续发展目标的贡献。文章首先介绍了PMFC的工作原理，特别是植物-微生物-电极之间的相互作用，随后探讨了PMFC如何促进氮循环。还讨论了与相关SDGs的对齐情况，强调了PMFC作为多功能技术的重要性。
章节摘录 用于可持续生物能源生产的PMFCs PMFC是利用植物及其根区生产生物能源的具有前景且可持续的方法。白天进行的光合作用和夜间的呼吸作用是启动这一过程的主要机制。光合作用将大气中的CO2 和水转化为葡萄糖，而细胞呼吸作用则将葡萄糖分解为水、CO2 和ATP（Greenman等人，2024；Shaikh等人，2021）。这一过程确保了系统中微生物活动的持续有机碳供应。
PMFC中的植物多样性 植物选择是影响PMFC整体效率的关键因素之一。科学家们研究了多种植物，其中Glyceria maxima 是最早被使用的植物。Puccinellia distans 这种耐盐植物表现出比G. maxima 更高的性能。竹类植物也被认为适用于多种应用，因为它们具有有效的碳封存和固氮能力。
PMFC的功能：根际微生物的降解作用 微生物降解是PMFC中最关键的过程，通过电子转移机制支持氮的去除和生物电力的产生。这两个过程由定殖在根际和阳极区域的密集微生物群落催化。铵是这一生物活性系统中的重要电子供体，被某些微生物群落直接或间接氧化，包括铵氧化菌、产电细菌和反硝化细菌。
提高性能的PMFC可扩展性 PMFC是一种环保的创新技术，它利用光合作用机制，借助植物将太阳能转化为电能。这种高效节能的方法减少了对外部化石燃料的依赖。因此，扩大PMFC规模而不降低其性能是实现可持续和环保发展的关键。PMFC的配置、设计和紧凑性
试点规模研究 试点规模研究通过评估系统的性能、运行稳定性和可扩展性挑战，探讨了小规模研究与实际应用之间的差距。这些研究对于长期研究电力生产、环境影响和废水处理至关重要。（Jager等人，2023）的研究描述了在荷兰安装了59个平板式PMFC单元的情况。在26个月的时间里，研究人员调查了不同因素
可扩展性挑战 PMFC的可扩展性面临诸多限制，从实验室小规模测试到大规模研究都有涉及。小规模PMFC在封闭环境中表现良好，但在扩大应用时效率会显著下降（Tay等人，2022）。主要问题是土壤或水中营养物质和氧气的分布不均，影响了微生物的活性和电子的传输。
PMFC对联合国可持续发展目标（UN SDGs）的贡献 2030年可持续发展议程以UN SDGs为核心，提出了17个相互关联的目标，为推进全球繁荣和保护地球提供了全面蓝图，将能源、水、农业、气候和创新等问题统一起来，为实现可持续未来制定策略 [
https://sdgs.un.org/2030agenda ]。在各种生物电化学系统中，PMFC作为一种多功能清洁技术脱颖而出，提供了额外的
结论 PMFC利用根际中植物与产电微生物之间的关系，生成生物电力，同时支持氮转化、碳封存和废水处理。通过改进电极设计、微生物富集和植物选择等因素，可以提高系统的生物电化学性能。然而，由于生物膜不稳定、内部电阻高和分布不均等问题，其大规模应用仍受到限制。
未引用的参考文献 Bataillou等人，2024；De Jager等人，2023；Fan和Wang，2024；Fang等人，2017；Hussain，2024；IPCC，2019；Kouzuma等人，2013；Kuleshova等人，2022；Liu等人，2022；Lu等人，2015；Mohan和Manangath，2020；Mohan等人，2023；Rusyn和Gómora-Hernández，2024；Sudirjo等人，2019；Sudirjo等人，2019；Wang等人，2023；Xu等人，2018；Yang等人，2019。
CRediT作者贡献声明 冈达·莫哈纳克里希纳（Gunda Mohanakrishna）： 负责撰写初稿。
贝什纳维·I·库达里莫蒂（Vaishnavi I. Kudarimoti）： 负责撰写、审稿和编辑，以及正式分析和数据整理。斯内哈·普拉卡什·奈克（Sneha Prakash Naik）： 负责撰写初稿。
利益冲突声明 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
