《Current Opinion in Biotechnology》：Bioelectrochemical systems for the detection and removal of environmental pollutants
编辑推荐：
本文深入探讨了生物电化学系统（BES）如何利用电活性细菌（EAB）的胞外电子转移（EET）能力，实现污染物的生物传感与生物修复。文章回顾了利用合成生物学、工程化菌群及非模式菌种以拓展BES功能的最新进展，并介绍了多个成功实现规模化应用的中试和商业案例，为开发低成本、可持续的环境治理技术提供了从实验室到产业化的互补性见解。
引言：利用微生物电化学应对环境挑战
生活和工业废水中的有毒污染物（如污水、食物垃圾和重金属）正在环境中不断累积，且通常难以自然降解。传统的环境修复方法，如化学氧化、吸附和焚烧，不仅成本高昂、耗能巨大，还可能产生二次污染。相比之下，生物电化学系统（BES）在温和的环境条件下运行，能耗极低，并能同时用于污染物检测和生物修复。其核心在于将导电材料与电活性细菌（EAB）相结合，以利用其化学传感能力和代谢过程来检测和去除污染物。
扩展有机物的生物降解能力
近期，研究者试图通过改造微生物和微生物菌群来扩展BES的生物降解能力。BES对降解简单有机物有效，但处理纤维素等复杂有机废物仍具挑战。为克服此难题，梁等人构建了一个人工菌群，将纤维素降解与产电过程偶联，并通过在菌膜中插入导电材料和改造细菌来提高产电效率，创下了同类系统的产电记录。合成生物学和工程化菌群的进一步发展，有望使BES能够降解其他广泛存在的复杂有机污染物。
微生物生物电化学传感技术
在BES中，向外的胞外电子转移（EET）不仅可用于发电和生物降解，还能作为报告污染物存在的电信号。EAB在降解有机物时产生更高电流，而重金属等有毒物质则会抑制电流。这种电流变化可被用作传感信号，开发出生化需氧量（BOD）/化学需氧量（COD）或毒素传感器。当此类生物传感器与微生物燃料电池（MFC）结合时，其在传感过程中产生的电能可以抵消系统能耗，实现自供电传感。
合成生物学能够实现选择性污染物传感，使基因或蛋白质电路仅在特定分析物存在时才激活EET。例如，有研究利用蛋白质开关控制大肠杆菌中合成EET通路的铁氧还蛋白活性，实现了对河水中特定污染物的快速检测。近期，张等人通过在同一生物体内使用基于转录的基因电路控制不同EET机制，开发出多通道生物电子传感器，可同时报告水样中As3+和Cd2+的存在。这些工作展示了利用合成生物学、共培养技术和电化学开发下一代生物电子传感器的趋势，以实现复杂自然环境中污染物的实时、多路监测。
金属去除与回收
EAB可以通过生物矿化作用从溶液中去除有毒金属离子，方式包括利用EET将金属离子完全还原为单质态，或以其胞外基质作为金属沉淀的成核位点。尽管存在毒性，EAB仍能展现一定的耐受性。例如，研究发现在最低添加浓度下，镍和钴对MFC运行的干扰最小，系统仍能实现大于85%的COD去除率和大于90%的金属离子去除率。这些研究为BES处理低浓度金属废水提供了见解。此外，查韦斯等人近期研究表明，电极呼吸的地杆菌（G. sulfurreducens）菌膜能够去除Pd2+并在菌膜局部形成钯纳米颗粒。通过进一步理解微生物金属毒性和生物矿化，未来的BES有望与电子和冶金行业协同，处理有毒金属废物并回收稀缺的贵金属。
电微生物学的新兴进展
将BES研究局限于少数模式EAB的已知EET机制往往会限制其发展。新兴研究已将焦点扩展到新的EET机制，以拓展下一代BES的能力。例如，近期研究在大肠杆菌和植物乳杆菌中发现了新的介导EET途径，为在新的微生物底盘（chassis）中构建EET提供了基础。此外，向内EET的进展增强了微生物电合成系统（MES）的能力，支持将废物可持续地转化为有价值的化合物。
除了探索新机制，近期研究还扩展到了非模式底盘。例如，厘米级丝状“电缆细菌”的发现，它们能够进行宏观尺度的生物电子传输以及与电极的EET，这为将广域效应生物修复与发电相结合开辟了道路。同样，正在进行的系统发育调查不断发现编码细胞色素的新颖微生物，它们的新奇EET途径可能以意想不到的方式改进BES功能。通过识别和表征新的具有EET能力的微生物，我们为创建能够在更远距离高效传输电子、或在更复杂环境中传感和降解污染物的BES打开了大门。
放大BES技术以实现低能耗废水处理
过去十年，IMDEA水研究所（西班牙马德里）与合作者已成功部署了新型微生物电化学辅助处理湿地（METlands?），在多个大型中试中处理了孤立社区的市政污水，去除了约85%的COD。METlands?使用颗粒导电材料作为土壤，电连接好氧土壤表层与厌氧深层，使厌氧EAB能够通过氧化降解污染物，然后将电子通过导电土壤传递至表层以还原氧气，形成一种用于改善生物降解的“微生物电化学通气管”。这项技术已催生了METfilter?公司，为城市和工业应用提供模块化的污水处理系统。
同期，南安普顿大学的Ieropoulos研究组与合作者利用人类尿液驱动的MFC进行了多次中试，以处理尿液并产生可用电力。早期的实验室规模测试表明这些MFC可为手机充电。而在大型中试中，由十几个或更多升级版MFC堆叠组成的“小便发电（Pee Power?）”小便池，成功为英国格拉斯顿伯里音乐节等地的夜间照明供电。这些中试展示了通过使用模块化、堆叠式、低成本的MFC架构实现实用规模化的路径。
最近，宾夕法尼亚州立大学的Logan研究组与合作者部署了迄今为止最大的空气阴极MFC（850升），进行为期六个月的工业规模中试，处理托比汉纳陆军仓库产生的市政污水。该MFC的COD去除效率约为50%，其出水随后用作颗粒活性炭生物过滤系统的进水，最终COD去除效率超过90%。该系统与传统污水处理相比能耗降低超过50%，显示了BES作为补充性污水处理步骤的价值。
结语与展望
实验室规模和工业规模的BES研究提供了互补的见解。实验室研究探索合成生物学和电微生物学的新进展如何扩展BES能力，并为规模化前的实验性BES提供验证。工程化微生物和菌群使我们能够利用多种微生物的多样化能力，开发出能够快速检测并同时降解多种复杂污染物以进行可持续发电的未来BES。
随着BES技术的成熟，必须满足公共安全、社会接受度和政府监管的标准。采用生物防护方法（如将细胞嵌入水凝胶或实施基因“自杀开关”）、实施透明且稳健的生物安全协议，以及强调BES的成本节约能力、与现有技术的整合性及其长期的可持续能源生产和生物修复效益，对于推动技术应用至关重要。
尽管仍存在更广泛的BES技术挑战，但最近的工业规模BES研究已经展示了如何通过创新改进来规避技术放大和商业化过程中的限制。模块化堆叠、最小化电极间距以降低内阻、采用无膜或空气阴极设计以降低成本、以及选择合适的应用环境和废物流，都是实现规模化、经济可行的BES废水处理技术的关键。更便宜、更高效的BES将使新生物修复技术的实验室规模验证拥有更高的通量，也使这项技术的大规模实施对工业界更具可行性，对生活在偏远或资源匮乏地区、难以获得清洁水源的人们而言更易获取。
