论文标题：Recent Advances in Scaling up Bioelectrochemical Systems: A Review

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-6284/14/1/8

期刊名：BioTech

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biotech

一、引言

随着全球人口持续增长与能源需求不断上升，开发清洁、可再生的能源技术已成为当务之急。生物电化学系统（Bioelectrochemical Systems, BESs）是一类利用微生物作为催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的先进装置。这类系统在生物能源回收、废水处理、高值产物合成及土壤修复等领域展现出广阔的应用前景。然而，尽管实验室研究已取得显著进展，BESs的大规模实际应用仍面临技术与经济层面的多重挑战。该篇综述系统梳理了近年来BESs在规模化进程中的最新技术突破、主要障碍及成功案例，旨在为该技术从实验室走向工业化提供系统性参考。

图1 生物电化学系统（BES）基本原理示意图

如图1所示，BES由阳极室和阴极室构成，中间以阳离子交换膜分隔。微生物在阳极氧化有机物产生电子和质子，电子经外电路流向阴极形成电流，质子迁移至阴极参与还原反应，生成水等最终产物。

二、材料与方法

本文为一篇综述性文章，系统整合了近年来关于生物电化学系统规模化应用的研究成果。作者围绕BESs的技术进展、电极材料开发、微生物菌株改良、系统性能优化及工程应用案例等核心主题，对现有文献进行了全面梳理与归纳。文章重点关注微生物燃料电池（MFCs）、微生物电解池（MECs）和微生物脱盐电池（MDCs）等主要BES类型，并从能量效率、成本控制、微生物群落稳定性等多个维度分析了规模化过程中的关键制约因素。此外，作者还汇总了多项中试及示范规模的实证研究，涵盖不同反应器体积（从数升至上千升）和应用场景（生活污水、工业废水、养殖废水、沼气利用等），为规模化实践提供了数据支撑与经验借鉴。

三、分析与结果

研究表明，近年来BESs技术在多个方面取得了显著进展。在电极材料方面，碳基纳米材料（如碳纳米管、石墨烯）、金属纳米颗粒（如镍、银、铜、钯）及导电聚合物（如聚苯胺、PEDOT、聚吡咯）的应用显著提升了电极的导电性、生物相容性和比表面积，从而增强了系统的能量回收效率。在微生物菌株开发方面，通过基因工程与合成生物学手段，研究者已成功构建出具有高效胞外电子传递能力的新型菌株，如改造后的 Geobacter sulfurreducens 和 Pseudomonas putida；同时，新型产电菌株（如 Paenibacillus 属和 Pseudomonas E8 菌株）的分离与筛选工作也持续拓展了可用的微生物资源库。

根据功能不同，BESs主要分为微生物燃料电池（MFCs）、微生物电解池（MECs）和微生物脱盐电池（MDCs）等类型，它们在构型与功能上各有侧重。

图2 三种主要生物电化学系统类型示意图

（a）微生物燃料电池（MFC）：直接产电；（b）微生物电解池（MEC）：需外加微弱电压，用于产氢或甲烷；（c）微生物脱盐电池（MDC）：三室构型，可同时实现废水处理与盐水淡化。

然而，BESs的大规模应用仍面临三大核心挑战。首先是能量效率问题，随着反应器体积增大，欧姆电阻上升、电压损失加剧，导致功率密度显著下降。其次是成本因素，高性能电极和交换膜价格昂贵且需定期更换，加上系统运行所需的能耗与专业人力投入，使得大规模部署的经济可行性受到制约。第三是微生物群落的稳定性，在大规模反应器中，维持高效、稳定的电活性生物膜面临水力条件、温度、pH及营养供给等多重变量的干扰。

在规模化实践方面，已有多个成功案例。例如，总容积700升的堆叠式MFC系统成功用于生活污水处理，实现了无外加能源的连续运行；100升的单室MFC在处理屠宰场废水时获得了2.1 Wh/m³的能量密度和52%的有机物去除率；135升的MEC中试系统在优化条件下可产生0.1 m³ m⁻³ d⁻¹的氢气；40升的MEC成功实现了从电子终端废水中完全回收铜、镍、锌、铬等多种重金属。这些案例表明，通过优化电极设计、水力停留时间、温度与外施电压等参数，BESs的规模化具备现实可行性。

四、讨论

基于对现有文献的系统分析，作者指出，BESs的规模化并非简单的几何放大，而是需要多维度协同优化。电极材料的创新虽然显著提升了实验室规模的性能，但在大规模应用中的成本效益仍需审慎评估。微生物群落的稳定性问题在中试规模上尤为突出，非产电微生物的竞争可能削弱系统整体性能，因此开发稳健且具有环境耐受性的产电菌株至关重要。

此外，作者强调，BESs的规模化应用亟需完善的技术经济分析与生命周期评估。多数现有研究仍以能量密度和去除率等技术指标为主，缺乏对投资回报、运营维护成本及环境影响的综合考量。同时，不同研究之间由于反应器构型、基质类型、微生物来源及操作条件的差异，性能指标难以直接横向比较，亟需建立标准化的性能评价体系。

作者还指出，BESs与循环经济理念具有高度契合性。通过资源回收（养分、金属离子、水）、分布式能源生产以及与厌氧消化、膜生物反应器等其他技术的集成，BESs有望在未来的可持续能源与环境治理体系中发挥关键作用。

五、展望与结论

展望未来，BESs的发展将更加注重混合系统与多技术融合。将BESs与人工湿地、太阳能电池、酶催化或反向电渗析等技术相结合，有望突破单一系统的性能瓶颈，提升整体效率与稳定性。植物微生物燃料电池、微生物太阳能电池及微生物-酶燃料电池等新型混合系统正在成为研究热点。

在技术路径方面，自动化设计与数学模型的开发将有助于实现BESs的智能化设计与优化控制。同时，跨行业数据共享与合作机制建设、政策支持与标准体系完善也被认为是推动BESs产业化的重要保障。

生物电化学系统为实现清洁能源生产、废水处理和资源回收提供了一条可持续发展的技术路径。近年来，在电极材料、微生物开发和系统优化方面取得的进展显著推动了其规模化进程。尽管当前仍存在能量效率、成本控制与微生物稳定性等方面的挑战，但随着新材料、新菌株和系统集成技术的不断成熟，以及循环经济理念与混合系统的发展，BESs有望真正从实验室走向大规模工业应用，为全球能源转型与环境治理贡献重要力量。

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Massimo Negrini

期刊发表范围涵盖生物制药领域,通过培育转基因植物、动物或水生生物来解决农业中食品的生产或质量问题，以及在医学领域中采用的新方法；在环境领域中的应用，旨在维护生物多样性并清除污染物；开发能够生产有用化学物质或销毁有害/污染化学物质的生物体或酶；生物信息学方法；以及与生物技术领域中的伦理、哲学和监管方面相关的论文。被ESCI、Scopus、PubMed、PMC等多个权威数据库收录。在JCR Biotechnology and Applied Microbiology 类别排名中位居Q2.

2025 Impact Factor：3.6

2025 CiteScore：5.6

Time to First Decision：21.6 Days

Acceptance to Publication：2.9 Days