《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Microbial fuel cells as a sustainable nexus of wastewater treatment and bioelectricity generation: Advances, challenges, and future directions in a circular bioeconomy
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微生物燃料电池（MFCs）通过微生物代谢降解污染物并发电，兼具废水处理与能源回收功能，COD去除效率达97%，功率密度0.1-23 W/m2。当前挑战包括高资本成本、电极材料耐用性及微生物群落稳定性问题，而IoT与机器学习优化、太阳能-风能混合系统可提升20%效率。未来需突破规模化应用瓶颈，优化电极与菌群管理。
Yakubu Musa|Boon Siong Wee|Hung Hui Chung|Suk Fun Chin|Sai Hin Lai
马来西亚沙捞越大学资源科学与技术学院化学系，94300，Kota Samarahan，沙捞越，马来西亚
摘要
微生物燃料电池（MFCs）作为一种有前景的技术，已经在废水处理和生物发电领域展现出巨大潜力，为能源和环境挑战提供了可持续的解决方案。近期在MFC系统方面的进展，尤其是在材料设计和微生物优化方面，显著提高了功率密度和效率。MFCs的化学需氧量（COD）去除效率可达到97%，功率密度范围从0.1 W/m2到23 W/m2不等，这取决于底物类型和系统配置。尽管取得了这些进展，但高资本成本和有限的能量回收效率等问题仍然阻碍了其大规模应用。通过整合物联网（IoT）和机器学习进行系统优化，以及结合太阳能和风能的混合MFC系统，在某些情况下可以将运行效率提高20%。本文全面概述了这些突破，并强调了扩大MFC技术应用所需的环境、经济和政策方面的考虑因素。同时，本文也指出了未来研究的关键领域，包括提高电极材料耐用性和微生物群落稳定性，这对于实现实际应用中的长期运行可靠性和经济可行性至关重要。
引言
随着全球废水污染问题的日益严重，气候变化和环境安全问题成为当前和未来人类面临的重要挑战[1]。这些挑战所带来的安全风险在许多方面已经显而易见[2]。随着世界人口的增长以及对提高人类生活水平的追求，环境在许多方面受到了负面影响，尤其是来自畜牧业[3]、石化产品[4]、制药业[5]和农业[6]等领域的废弃物积累。固体废物占城市废物的很大比例，越来越多地被倾倒在露天环境中，预计今年这一情况将增加50%[3]。食物残渣和农业废弃物是环境中有毒物质积累的主要来源之一[7]。随着能源需求的不断增加以及化石燃料的不可避免枯竭，开发更可持续的环境净化方法变得十分必要[8]。
微生物燃料电池是一种利用微生物代谢活动氧化废水中的污染物、从而释放电子以产生生物电能的技术[9]。这项技术被视为解决全球能源和环境危机的一种替代方案[10]，它提供了一种清洁的可再生能源[11]，并通过将废物转化为有用的产品来改善环境[12]。藻类-细菌燃料电池利用细菌和藻类之间的共生关系：产电细菌为藻类的光合作用提供所需的二氧化碳，而藻类则为细菌提供其代谢功能所需的氧气，实现互利共赢[13]。关于微生物燃料电池的发展历史可以追溯到20世纪60年代美国国家航空航天局（NASA）对从废弃物中产生电流的兴趣，以及70年代和80年代由于石油危机而推动的替代能源开发[14]。推动MFC技术应用和研究的另一个原因是生物经济[15,16]、可再生能源生产以及较低的成本[11,17]。
MFC的另一个优势在于其出色的环境修复能力[18, [19], [20]]。尽管MFC在多个领域具有广泛应用前景，但由于质子交换膜和高成本电极材料等持续存在的挑战，以及MFC各组件之间的传质限制[21, [22], [23]，它仍然属于实验室阶段的技术。
地球上持续提高生活水平所需的两大要素是能源和水[24]。能源使用占温室气体排放量的60%[25,26]，是导致全球变暖的主要环境污染源[27,28]。目前主要使用的能源是不可再生的化石燃料[29]。虽然能源本身不可摧毁，但只能从一种形式转化为另一种形式[30]。废水中含有大量有机物，其化学能量可以通过微生物的代谢活动转化为电能[31]。这一想法最早由英国植物学家Michael Crisse Potter在1911年提出，他利用大肠杆菌和酿酒酵母的细胞培养产生了电流[32]。MFC不仅能降解废物并产生电流，还能同时处理废水并清除其中的污染物[33]。多项研究表明，MFC的性能和效率在很大程度上取决于电极的导电性、粗糙度[34]、生物相容性[30]和比表面积[35]，以及其他影响MFC功能和效率的参数，如质子交换膜和底物[37]。大量相关研究已在文献中发表，并且仍在继续探索改进这些特性的方法以克服现有挑战。
微生物燃料电池（MFCs）利用微生物的代谢活动降解废水中的有机污染物，将化学能转化为电能。这种双重功能使MFC成为传统废水处理方法的有希望的替代方案。传统的废水处理方法，如活性污泥法、生物营养物去除（BNR）和人工湿地，虽然被广泛用于废水处理，但通常能耗较高且对环境有较大影响。
在评估废水处理方法的可持续性时，能源消耗是一个关键因素。基于好氧处理的传统方法（如活性污泥法）能耗较高，主要是因为需要曝气。曝气占传统生物处理系统总能耗的60%左右。相比之下，MFC在处理废水的同时具有发电潜力，从而有可能降低整个废水处理系统的能源消耗[38]。
活性污泥法是最常用的生物处理方法。该方法通过曝气促进微生物生长以降解有机物。然而，高昂的曝气能耗是一个显著缺点。活性污泥系统的能耗范围为每立方米处理废水0.4至1.5千瓦时，具体取决于处理厂的规模和所需的曝气程度。这种高能耗加剧了废水处理设施的整体碳足迹[39]。
旨在去除废水中氮和磷的BNR过程也需要大量的能源投入。BNR系统的能耗受硝化、反硝化和磷去除过程中曝气需求的影响，其能耗可超过每立方米废水1.5千瓦时，进一步增加了运营成本和环境影响[40]。人工湿地是一种低能耗的废水处理替代方案，依赖于自然过滤过程。虽然人工湿地的能耗通常低于活性污泥系统，但它们需要占用土地，且可能无法有效处理高浓度废水。某些设计中，人工湿地的能耗主要限于水泵和曝气过程[29]。
MFC技术具有从废水中回收能源的独特优势，这可以显著降低处理过程中的能源消耗。当有机物被微生物降解时，MFC会产生电能，从而抵消处理系统的能源需求[41]。
以往的研究往往从材料或电化学等单个组件的角度探讨MFC，而本文则从系统层面出发，强调了MFC作为废水处理单元、生物电能生成器和循环经济推动者的相互关联性。本文综合了微生物燃料电池（MFC）技术的最新进展，特别关注MFC与废水处理的集成。通过解决技术和非技术障碍，本文有助于填补关键知识空白，并为MFC技术的大规模应用指明未来发展方向（见表1）。
部分摘录
电子传输路径
这是决定MFC性能和效率的关键因素之一：电子由微生物降解有机物产生，必须将这些电子传输到阳极以生成电能。电子传输可以通过两种方式实现：i) 直接传输；ii) 通过中介传输方法。直接传输通过导电菌毛或纳米线完成，这两种结构有助于电子的传递。
材料和设计创新
MFC的构建简单且成本低廉，几乎可以使用所有本地材料进行组装。它由阳极和阴极组成，两者之间由质子交换膜（PEM）隔开，通常使用的是Nafion膜[79]。微生物在有机物作用下在阳极产生电子和质子，从而产生能量。电子随后传递到阴极，并被电子受体（通常是氧气）捕获，因为氧气满足丰富的条件。微生物燃料电池与废水处理的集成
废水是一个严重的环境问题，对环境和生物体构成多种威胁。根据来源不同，废水中含有重金属、碳氢化合物、染料、药物等多种有毒物质[158]。传统的废水处理方法效率低下、能耗高且成本高昂，而微生物燃料电池是一种可行的替代方案，具有可持续性。以往微生物燃料电池（MFC）研究的关键数值结果：系统性能、效果和效率的定量比较
多年来，许多研究从多个指标评估了MFC的性能，包括功率密度、能量回收效率、化学需氧量（COD）去除率和成本效益。这些定量结果为了解MFC的有效性和可扩展性提供了宝贵见解，尤其是在与传统废水处理方法和其他可再生能源技术相比时（见图4）。规模化和智能系统
MFC是一种具有双重功能的技术，既能处理废水又能产生生物电能。尽管在MFC领域进行了大量研究，但由于技术和经济障碍，该技术仍处于实验室阶段，尚未大规模应用。一些研究文献展示了模块化设计在MFC规模化应用中的良好效果。MFC在实际应用中面临的限制和挑战
微生物燃料电池（MFC）技术的主要限制包括技术、运营、经济和系统方面的问题。大多数大规模系统中都存在功率密度问题[177,214]，实际运行中的功率输出远低于实验室预期，这凸显了MFC技术的重要可扩展性问题。运行稳定性也是一个问题，许多系统因底物组成、生物膜形成和电极问题而出现性能波动。微生物燃料电池（MFC）技术的环境影响：在废水处理厂广泛应用的潜在缺点和意外后果
微生物燃料电池创新在环境可持续性和分散式能源系统发展方面具有巨大潜力。然而，MFC技术在废水处理厂中的广泛应用带来了一系列环境和潜在的负面影响，这些影响需要仔细考虑。MFC的未来前景
利用微生物将废水中有机物的化学能转化为电能并处理废水的想法极具吸引力，但将其从实验室应用推广到实际场景需要克服长期存在的技术和经济障碍。资助
VC 高影响力研究基金2.0（VC HIRG2.0），UNI/F07/VC-HIRG-2/86,053/2023。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。致谢
作者感谢VC 高影响力研究基金2.0（VC HIRG2.0），UNI/F07/VC-HIRG-2/86053/2023以及马来西亚沙捞越大学提供的支持。
