微生物电化学技术可支持可持续能源、废水处理与资源回收

为更清洁的未来接入“活体导线”

我们大多数人通常把电力和微生物看作来自截然不同的世界：高空的电线、土壤或肠道中的细菌。本文展示了这两个世界如何被有意连接起来。通过让某些微生物像微小的活体导线那样接入电极，科学家正在构建能够把污水变得更清洁、把废弃物转为能源与化学品、把污染转为可回收资源的系统。这些“微生物电化学技术”可能成为应对气候变化、水资源稀缺与资源短缺的未来工具箱的一部分。

微小生物如何与金属“对话”

一些微生物天然能够将电子穿过细胞壁传递到矿物等固体物质上。在专门设计的装置中，那些矿物被电极替代，微生物在电极表面形成致密的生物膜。当微生物在污水中分解有机物时，它们将电子推送到阳极（一个电极），电子随后通过电路流向阴极（另一个电极），在那儿发生有用的反应。这种将电子转运到细胞外的能力称为细胞外电子传递。它使得活细胞与电气硬件构成一个混合系统，生物学处理复杂化学反应，而电路处理能量流动。

从污水到电能与净水

这一方法最成熟的应用是微生物燃料电池：微生物群落在阳极上生长，分解污水中的有机污染物并将电子传递到阴极。原则上，这可以在处理水的同时产生电力，使处理厂从能源消耗者转变为能源节约者。试点规模的系统已在真实污水流中运行，表明这些装置可以降低曝气等步骤所需的电力，尽管目前产生的电量仍然有限。相关的装置微生物电解池则在微生物分解废物的基础上，借助少量外部电能在阴极产生氢气或甲烷，从本来难以处理的流中制造可储存的燃料。

在微生物帮助下清除污染与淡化盐水

由于电极可作为无底的电子源或汇，它们能驱动那些靠添加化学药剂难以实现的净化反应。在用于生物修复的微生物电化学系统中，阳极上的微生物帮助降解如氯代溶剂和燃料组分等难降的有机污染物，而阴极群落利用输入电子去除地下水中的硝酸盐、硫酸盐或溶解金属。同样原理也适用于微生物淡化电池：污水氧化产生的电流将盐离子从中央腔拉出，以获得更清洁的水。在早期原型中，这些装置已用比常规方法更少的能量产生淡化水，但在大规模推广之前，材料与设计仍需改进。

用碳和电力制造新产品

微生物电化学系统不仅用于净化；它们还可以制造产品。在微生物电合成中，生长在阴极的微生物以二氧化碳和电子为原料，组装出如乙酸、长链有机酸甚至微生物蛋白等更复杂分子。研究者既利用天然具电活性的物种，也改造常用微生物使其具备电子摄取通路。这类系统可将多余的可再生电力和废气转换为燃料、塑料前体、肥料甚至食品成分。文章设想了“电生物精炼厂”，在这些厂中电化学与微生物步骤以模块化、常为分布式的流程结合，并根据本地碳源与电力情况进行调优。

工程难题与走向现实应用的路径

尽管前景诱人，微生物电化学技术仍面临实际挑战。电极与膜材料可能昂贵，电流输出远低于传统电池或太阳能电板，且厚重的微生物膜会产生内部瓶颈限制性能。放大规模需要巧妙的反应器设计，既要为微生物提供大表面积，又要保持短距离与低成本。用于环境净化与资源回收时，填充廉价碳颗粒的低技术反应器可能比高性能实验室设备更适合；用于化学品生产时，则可能需要可精确控制的生物反应器以及经工程改造的微生物以达到工业产率和产品纯度。

这些“活电路”为何重要

简而言之，文章得出结论：将微生物接入电极已不再是纯科学上的好奇心问题，而正成为一个灵活的平台，能帮助社会更明智地利用废物流与二氧化碳。虽然只有少数小众应用已到达试点或商业化规模，但潜在用途范围广泛——从降低污水厂能耗，到回收金属、去除农业产生的地下水硝酸盐，再到把过剩的可再生电力转化为有价值的产品。要跨越实验室成功与市场影响之间的“死亡谷”，研究人员与政策制定者需要改进设计、达成共同标准，并合理估价那些在财务报表上不易显现的环境效益。如果这些工作得以推进，微生物电化学系统有望成为帮助在能源、水与材料循环中闭环的安静而隐形的基础设施。

引用: Korth, B., Harnisch, F. Microbial electrochemical technologies can support sustainable energy, waste treatment, and resource recovery. Commun. Sustain. 1, 69 (2026). https://doi.org/10.1038/s44458-026-00073-3

关键词: 微生物电化学技术, 废水处理, 资源回收, 微生物电合成, 环境修复