ISMET主席Annemiek ter Heijne展望未来30年生物电化学发展趋势
一
论文ID
原文题目：Bioelectrochemistry for flexible control of biological processes
题目译名：应用于灵活控制生物过程的生物电化学
通讯作者及单位：Annemiek ter Heijne，荷兰瓦格宁根大学环境技术系副教授。
引用信息：ter Heijne, A. (2020) Bioelectrochemistry for flexible control of biological processes. Environmental Science & Ecotechnology 1(1): 100011.
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.ese.2020.100011
Available from:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S266649842030003X
二
文章简介
本文是ESE期刊“Young Lion Perspective (YLP)”栏目的首篇文章。YLP栏目是Korneel Rabaey执行主编提议创立的特色栏目，旨在邀请全球极具科研发展潜力的青年学者以年轻人的视角展望某一研究领域在2020-2050年的发展趋势。首期YLP栏目特邀作者是荷兰瓦赫宁根大学生物技术系Annemiek ter Heijne副教授。她于2010年博士毕业于荷兰Wetsus水研究中心，目前担任国际微生物电化学与技术学会主席（ISMET，International Society of Microbial Electrochemistry & Technolog）。Annemiek ter Heijne副教授的详细介绍请参考https://www.annemiekterheijne.nl. 这项工作是荷兰NWO研究理事会Vidi研究计划的一部分。
可持续发展的世界是人类与自然紧密合作的世界。在自然界中，微生物是全球碳、氮、磷循环的关键参与者，这些自然过程是可持续解决环境问题的关键。
作者认为，达到生物转化所需的速率和效率是开发出一种可持续且可应用技术的重要前提。生物技术已广泛应用于废水、废气和固体废弃物处理，有效去除和回收有机物、氮、硫酸盐和硫等物质。所有这些生物转化过程都有其各自的ORP范围以保证转换过程最有效（参见表1）。然而仅基于测定OPR来调控生物反应过程以期达到特定的生物反应效果非常困难。这是因为OPR是一个宏观参数，它只反映某一特定环境中瞬时氧化还原物质的总体特性。
作者提出，面对生物过程缺乏电子供体/受体这一难题，我们可以选择电极作为电子的源（source）和汇（sink）。由于电极可以在任何氧化/还原条件下精确控制电极电位，它可以增加生物转化过程的调控范围。此外，基于电活性细菌可以与电极交换电子这一事实，电极本身是研究和调控生物生化反应的独特平台。这些具有电化学活性的微生物通常会在电极表面形成生物膜，电极与细菌之间的相互作用构成了微生物电化学技术（MET）的基础。作者回顾了过去二十年间MET技术的发展和代表性工作。
作者展望，从可调控性和可持续性的角度来看，未来几十年将会出现许多基于微生物和电极之间电子交换原理的新技术。在未来，电活性微生物提供了一个绿色环保、可持续发展的新思路。
那么，到2050年时，生物电化学技术将会发展成什么样子？
作者认为，在2050年例如去除有机物和营养物的这类生物过程将不再依赖于曝气，电极将取代氧成为电子受体。作者列举了生物脱硫案例来说明基于曝气这一“传统”生物过程的技术都可能被（生物）电化学过程所取代。除了用电极替代氧电子受体外，作者还列举了另外两个例子，分别是利用电极作为电子供体灵活调控的工具，以及使用MET作为监测和控制生物转化的“传感器”。在触及未来的科学挑战时，作者认为，未来的重大挑战是电子效率（electron efficiency）。作者通过具体案例和数据解释了这一挑战。此外，作者还提出两个应受关注的研究点——电压效率（voltage efficiency）与过电势（overpotential），以及氢中间体，并论述了围绕它们所产生的一系列科学问题。
作者总结认为，尽管前途光明，MET的一系列科学问题和应用挑战亟待解决。多功能性和高通用性是MET取得成功的关键，该技术需要在更合适的应用生态位区间取代传统生物技术成为更可持续、更经济的污染物去除与资源回收方案。
三
补充内容
本文的撰写工作由刘丹丹博士协助ESE期刊编辑部完成。具体内容请以英文原文为准。
刘丹丹，女，1988年生于吉林白城市。2007年考入哈尔滨工业大学，就读于市政环境工程学院环境科学系，并于2010年进入王爱杰教授课题组，参与微生物电化学系统去除工业废水中偶氮燃料的研究。2011年获得学士学位，并以优异的成绩保送读研，师从王爱杰教授，继续拓展电化学系统去除难降解污染物的研究，硕士论文主要研究方向为微生物钯修饰电极对废水中硝基苯的去除。2013年获得硕士学位。同年10月赴荷兰瓦赫宁根大学攻读博士学位，师从Annemiek ter Heijne副教授，主要研究利用微生物电化学系统转化二氧化碳为甲烷，该研究成果为储存绿色电能提供了全新的途径。刘丹丹于2018年获得博士学位。
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