The Innovation Materials | 一种可持续发展的新兴技术—微生物电合成
导 读
微生物电合成（Microbial electrosynthesis, MES）能够利用电活性微生物的氧化还原能力来实现CO2或有机废料向可再生化学品的转化，解决了能源危机中再生能源的合成，是一种可持续的碳中和技术。MES在碳氢化合物合成、可再生能源存储以及CO2资源化等方面具有广阔的应用前景。MES效率提升的关键是电极材料和电活性微生物之间的细胞外电子传递（EET）速率，本文以提高直接电子传递（DET）效率和间接电子传递（IET）效率两种策略为切入点，论述了近年来MES的研究进展，并探讨了其未来发展方向。
图1 MES中生物-非生物界面的胞外电子传递过程主要通过两种机制发生：直接电子传递和间接电子传递
1. 提高DET效率的研究进展
电活性微生物与电极的直接接触促进了细胞内代谢与细胞外电化学的耦合，从而实现有效的能量转换。因此，人们致力于开发三维（3D）电极材料，以最大限度扩大微生物与电极的接触面积。2022年，Quek等人成功设计了一种自组装的n型共轭聚电解质（NDI）复合生物电极，该电极在中性介质中表现出优异的氧化还原稳定性，细胞电流吸收相对于希瓦氏菌对照组提高了约674倍，从而使富马酸盐更有效地还原为琥珀酸盐（图1A）。该研究发现，聚合物通过n掺杂的共轭主链使得电极易发生还原反应，而两性离子侧链确保了聚合物与水性介质的相容性，为提高MES的性能提供了新的策略。
值得注意的是，增强跨膜离子电导率在提高DET效率方面亦至关重要。2023年，Quek等人报道了一种新颖的n型氧化还原活性共轭寡电解质（COE-NDI），该材料能自发嵌入细胞膜，模仿内源性跨膜电子传输蛋白的功能（图1B）。对细胞膜脂质双层内的电子传递机制的深入研究表明添加COE-NDI能够显著增强电子从电极进入细胞的传递效率，将富马酸盐高效还原为琥珀酸盐。
2. 提高IET效率的研究进展
科研工作者们广泛研究了电极材料和电活性微生物的复合结构，结果表明生物膜引起的阻抗以及电极表面细菌负载量较低的问题依然极大限制了DET效率。因此，研究者们将目光转向IET效率的提高。2019年，Rodrigues等人引入具有生物相容性的全氟化碳纳米乳液（PFC）作为间接电子H2的载体，使微生物电还原CO2为乙酸的效率提高了190%（图1D）。研究表明，PFC与H2的非特异性结合表现出更快的H2传质速率和更高的局部H2浓度，引入纳米级气体载体为提高IET效率提供了有效途径。
与一碳或二碳产品相比，如何高效、可持续合成具有更高能量密度和市场价值的长链化合物仍然是一个重大挑战。采用对电催化和生物催化的空间去耦策略可显著增强生物电化学系统的IET效率。2022年，Zheng等人报道了一种空间解耦的MES系统，该系统可有效将CO2转化为葡萄糖或脂肪酸（图1C）。该工作中，通过纳米结构的铜基催化剂，可以在固体电解质反应器中稳定地催化CO2产生乙酸，随后利用基因工程技术，删除了酿酒酵母中所有己糖激酶基因，并过表达异源葡萄糖-1-磷酸酶，使酵母能利用电催化产生的乙酸有效合成葡萄糖。该策略避开了电催化系统和生物催化系统之间的差异性，克服了电流密度的限制，并消除了气体原料的传质限制。
总结与展望
基于DET或IET途径对电极材料进行合理设计已经证明了其具有提升MES系统EET效率的巨大潜力。然而，这两种途径在限制因素和相应的改进策略等方面存在显著差异。对于基于DET途径的MES系统而言，功能化电极和单细菌表面修饰相结合的策略是未来最有前景的发展方向之一。对于基于IET途径的MES系统而言，关键在于实现无机催化剂和生物催化剂之间的兼容性。
在实现MES规模化应用之前，仍有诸多方面需要改进。首先，合成生物学的整合对于提高电活性微生物的合成率或特定多碳产物的选择性至关重要。其次，开发与生物催化剂结合的高性能纳米材料以满足工业实际需求势在必行。最后，应考虑人工智能与高通量实验的结合，合理设计和筛选催化剂。鉴于化石燃料短缺和温室气体排放的显着影响，我们认为应加大微生物电合成研究力度，以实现可持续的碳中和战略。
责任编辑
张玉微 广州大学
黄永江 哈尔滨工业大学
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原文链接：http://www.the-innovation.org/materials/article/10.59717/j.xinn-mater.2023.100008
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第1卷第1期以Commentary发表的“Harnessing microbial electrosynthesis for a sustainable future” (投稿: 2023-06-08；接收: 2023-06-14；在线刊出: 2023-06-16)。
DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2023.100008
引用格式：Jiang Y., Tian S., Li H., et al. (2023). Harnessing microbial electrosynthesis for a sustainable future. The Innovation Materials 1(1), 100008.
作者简介
宋 兵，新西兰林业研究所研究员，澳大利亚新南威尔士大学兼职研究员，主要研究方向为生物质能源、生物质高值化转化与固体废弃物的综合利用。累计主持新西兰科学院科研经费250余万新西兰币，在Green Chem., Renew. Sustain. Energy Rev., ACS Sustain. Chem. Eng., ChemSusChem等期刊发表论文40余篇，参与撰写英文专著3部，任Fuel、Energy&Fuels等20多个能源类期刊审稿人。
朱文磊，南京大学环境学院教授，江苏特聘教授，博士生导师，国家级青年人才计划入选者。主要研究方向为纳米材料组装与合成、环境催化与环境分析等。主持国家自然科学基金、政府间国际创新合作项目和江苏省青年基金等科研项目。迄今为止，已在国际著名学术期刊 Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等学术期刊发表 SCI 论文 70 篇，H指数35，他引超过6000次。现为学术期刊Frontiers in Bioengineering and Biotechnology副主编。
Web：https://www.x-mol.com/groups/carbonneutrality
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