综述：用于从有机废物中可持续回收生物能源的微生物电解电池：工作机制、集成策略及未来展望

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Microbial electrolysis cells for sustainable bioenergy recovery from organic waste: mechanisms, integration strategies, and future prospects

微生物电解池（MECs）通过电化学驱动微生物氧化有机物并合成氢气或甲烷，有效解决传统生物处理效率低的问题。本文提出“机制-工程-经济”综合框架，系统分析电压、pH、温度及电极材料对产物选择性的影响，评估水热-MEC、MFC-MEC等混合系统的能量增益，并指出电极和膜的高成本为规模化应用的主要障碍，建议采用非贵金属材料、膜less结构和太阳能供电以降低成本。

　　

王浩宇|辛晓东|严王旺

中山大学深圳校区生态学院，中国广东省深圳市518107

摘要

尽管现有的关于微生物电解池（MECs）的综述通常集中在单一产品类型或总结技术进展上，但在理解影响产品选择性的条件、提高效率的设计改进以及可扩展实施的可行途径方面仍存在关键差距。本文通过一个综合的“机制-工程-经济”框架来填补这一空白。首先，本文阐明了与H₂与CH₄生产相关的不同生成机制和关键操作参数，如施加电压、pH值、温度和阴极微生物生态。接下来，本文探讨了MECs的技术优势，包括它们能够消化碳氮比范围广泛的底物，并能在次优温度下有效运行。此外，本文还评估了混合MEC系统（如水热-MEC、微生物燃料电池（MFC）-MEC和暗发酵-MEC）在提高能量产出和过程稳定性方面的潜力。最后，经济评估显示，高昂的材料成本（尤其是电极和离子交换膜的成本）是大规模应用的主要障碍。本文进一步强调了有前景的成本降低策略，包括使用非贵金属电极、无膜反应器配置以及与可再生能源（例如太阳能光伏）的集成以实现自供电运行。通过将机制洞察与工程创新和经济考虑相结合，本文为将MEC技术从实验室规模创新推进到工业规模应用提供了全面的路线图，为可持续的废物转能源系统铺平了道路。

引言

有机废物（如城市有机垃圾、农业残留物和食物废弃物）产量的迅速增加带来了严重的环境危害[[1], [2]]。传统的处理方法，包括露天倾倒、填埋、堆肥和焚烧，因其对环境的负面影响和有限的资源回收率而受到越来越多的批评[[3], [4]]。相比之下，这些富含有机物的废物是生物能源生产的宝贵原料。由于能源需求的增加和可持续性的要求，迫切需要开发将有机废物高效转化为可再生能源的技术[5]。

包括厌氧消化（AD）和暗发酵（DF）在内的生物技术方法已被广泛用于从有机废物中生成甲烷和氢气。然而，这些过程存在一些限制，如水解速率慢、氢气产率低（<30%）以及热力学约束[5]。相比之下，MECs通过结合微生物代谢和电化学提供了一个有效的解决方案[6]。从机制上讲，该技术利用电活性细菌在阳极氧化有机物，并通过施加最小的外部电压来催化阴极反应以合成气体，从而克服了热力学限制[[7], [8]]。这种外部电势促进了电子从生物阳极（微生物在此处氧化有机物）向生物阴极（发生还原反应）的转移。对于H₂的生产，它通过使阴极电位足够负来驱动氢气释放反应；对于CH₄，特别是在MEC-厌氧消化系统中，施加电压通过促进物种间的电子转移和塑造能够高效将CO₂转化为CH₄的微生物群落来增强甲烷生成。尽管需要外部能量输入，这种方法也能显著提高净能量产出，因为该过程可以增强有机物的转化效率，从而提高沼气产量[9]。

尽管MECs在有机废物处理中的应用前景广阔，但对MECs性能的系统评估仍然零散。具体来说，现有综述缺乏对其促进效应的机制、控制气体选择性（H₂ vs. CH₄）的操作参数、与互补技术的集成策略、技术经济可行性和可扩展性挑战的全面分析。为了解决这些差距，本文对以下方面进行了关键评估：（1）驱动H₂与CH₄生产的不同机制和条件差异；（2）MECs在从有机废物中回收能源方面的技术优势；（3）通过混合系统（如水热-MEC、微生物燃料电池-MEC和暗发酵-MEC）提高过程效率的策略；（4）包括计算和识别成本效益实施的关键障碍在内的经济可行性评估。此外，本研究还通过识别材料成本和微生物不稳定性等关键挑战，提出了可扩展的解决方案。这项工作旨在为将MEC辅助的生物能源回收从实验室规模研究过渡到工业应用提供路线图，符合循环经济原则和全球可持续发展目标。

MEC增强有机废物转化的工作原理

微生物电解池（MECs）的工作原理如图1所示。在MEC反应器中，外电子生成细菌在阳极氧化可生物降解的有机物（如葡萄糖、乙醇、甘油或生物聚合物），释放电子、质子和二氧化碳。电子随后通过外部电路传递到阴极，而质子则通过电解质迁移。

MEC辅助生物系统中H2生产和CH4生产所需的微生物组成差异

在MEC系统中，产生氢气和甲烷的阳极群落始终由电化学活性细菌（EAB）组成，例如Geobacter和Shewanella，它们可以氧化有机物并将电子传递到阳极。相比之下，阴极群落根据目标产品而显著不同，导致微生物组成和操作要求各异（表1）。这种差异主要是由于电子传递方式的不同

可用底物中广泛的碳氮（C/N）比率

在AD中，底物的最佳碳氮（C/N）比率通常保持在20:1到30:1之间，以确保高效处理和能量回收。因此，高氮含量的底物（如食物废弃物、猪粪、堆肥和秸秆）通常需要共发酵才能达到满意的处理效率和能量产出[54]。MECs是一种有前景的技术，可用于处理碳氮比不理想的废物[32]。例如，在0.6V的施加电压下，MEC反应器

混合MEC系统以应对应用限制

MECs通过加速电极上的生物膜对有机物的氧化和CO₂的还原来提高AD效率。然而，复杂的有机废物（如污泥和食物废弃物）会显著降低转化效率，因为封装的可生物降解物质会阻碍微生物的接触。通常需要对复杂有机废物进行预处理以提高其可生物降解性，但这可能导致VFAs的快速积累和pH值下降，从而抑制甲烷生成菌[[58], [59]]。将MECs与

经济前景、技术限制和发展展望

与传统的生物过程相比，微生物电解池（MECs）代表了同时处理废水和从有机废物流中回收可再生能源的有前景的技术，具有增强的双重功能。通过施加适度的外部电压（通常为0.2–0.8V），MECs利用电活性微生物对有机底物的放能氧化来驱动氢气或甲烷的产生。实验室规模的系统可以处理高浓度的

结论

本综述强调了MECs作为从有机废物中回收生物能源的有前景的应用。通过施加小的外部电压，MECs克服了传统厌氧消化的热力学和动力学限制，实现了对复杂底物向氢气或甲烷的更高效转化。产品选择性（即H₂和/或CH₄）受阴极微生物群落、施加电压、pH值和电极材料的影响。MECs扩展了处理能力

CRediT作者贡献声明

王浩宇：撰写——原始草稿，概念构思。辛晓东：撰写——原始草稿，软件开发。严王旺：撰写——审稿与编辑，调查，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了深圳市科学技术计划（项目编号：JCYJ20220530145613031）和广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2023A1515110434）的财政支持。