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Advances in electro-microbial synergistic systems for value-added conversion of carbon dioxide
HAN Lin, GUO Yuman, LI Yan, CAO Hengheng, LI Jiajing, YANG Minghao, WANG Mengmeng, LI Jinping, LV Yongqin
Synthetic Biology Journal    DOI: 10.12211/2096-8280.2025-070

原位耦合系统异位耦合系统
固碳位点微生物胞内人工电极表面
生物-非生物偶联方式直接/间接电子转移通过含碳中间体转移
产物选择性较高较高
运行稳定性较差较好
放大可行性较难较易
Table 2 Comparative analysis of in situ and ex situ coupling systems
Extracts from the Article
随着全球碳中和目标的不断推进，将CO2高效转化为高附加值化学品已成为绿色化学和可持续能源领域的研究热点。微生物电合成（microbial electrosynthesis，MES）是一种新兴的CO2转化技术，利用电活性微生物在电极表面捕获电子，将CO2还原为CO、甲烷、乙酸、甲酸等多种有机产物。该体系结合了电催化能量驱动与微生物高选择性生物转化的优势，为发展下一代固碳技术提供了新路径。
在DET机制中，电活性微生物（如 Geobacter，Shewanella， Methanobacterium 等）依附于电极表面，通过胞外导电结构（如纳米导线、细胞色素）实现电子捕获并参与CO2还原反应［图1（a）］［14］，［15］。该机制具有能耗低、反应路径短、转化效率高等优势［16］。然而，由于电极-生物膜界面接触面积有限、微生物分布不均等问题，电子传递效率仍存在较大提升空间［17］。因此，亟需从以下三方面入手优化DET型MES体系：
在工程化应用方面，Liu等人开发了低能耗的MES平台用于原位沼气升级［39］。在-0.5 V阴极电位下，系统实现了318.5 mol/（m2·day）的CO2转化，甲烷含量提升至97%，表现出与传统物理脱碳工艺相媲美的性能。微生物群落分析显示，产乙酸型产甲烷菌Methanothrix和具DET能力的Actinobacillus高度富集，进一步证明了定向富集微生物与电极界面协同作用在CO2高效甲烷化中的关键作用。
此外，Le等人构建了一个可在单一反应器内完成CO2→聚3-羟基丁酸酯（PHB）转化的一体化MES系统［图4（b）］［41］。该系统通过电活性产醋酸菌与PHB积累菌的共生共培养，在2.5 V下PHB产量提升7.14倍。借助导电聚合物对电极改性，系统中醋酸和PHB产率进一步提高。微生物组学分析表明，该系统中CO2还原菌与合成菌的协同演化机制得以长期稳定维持，展示了MES系统在高值生物材料合成方面的前景。
IET通常通过引入可再生的电子载体，如气态氢气（H2）或可溶性氧化还原介体（如甲基紫精、中性红等），在电极与微生物之间搭建“电子中转桥”，以克服微生物直接从电极获取电子的结构障碍［图1（b）］［43-44］。在该机制中，氧化还原介体在阴极表面首先发生还原反应，随后通过扩散或对流输运进入菌体微环境中，再在细胞膜上被微生物重新氧化，实现电子的“间接注入”，为微生物提供CO2还原所需的还原力。
优化反应器设计可以延长氢气在反应器内的停留时间并增强传质速率，能有效提高系统性能。Cai等人开发了一种基于电解氢供给的新型移动床生物膜反应器（MBBR反应器）［56］，有效提升了H2传质效率并显著提高了甲烷生成速率（1.42 L/（L·d）），为当时同类系统的两倍［图5（b）］。这一结果明确表明，在高电流密度下，H2利用率的提升可大幅提高MES的产物产量和能效。
在强化H2供给的同时，提升电极界面的气液传质效率亦至关重要。Gao等人采用一种超疏气电极策略，通过CoP纳米线修饰泡沫镍（CoP-NiF）构建新型阴极材料，显著减小氢气气泡尺寸（由300 μm降至100 μm），使氢气传质系数提升129%［图5（c）］［58］。在高达166.67 A/m2的电流密度下，该系统的甲烷产率提高27%，达到2.31 L/（L·d），且库仑效率超过80%。该研究表明，电极微结构工程在提升H2传递效率及整体电子利用方面具有显著优势，为后续材料设计提供了范式。
当前主流的MES研究主要采用高纯度CO2作为碳源，然而工业废气中的CO2通常含有多种杂质组分，这些杂质不仅会毒害微生物，还会带来大量副产物，严重制约了MES技术的实际工程应用，因此有必要探索能耐受工业复杂废气的微生物固碳菌群。Roy等人首次探索使用未净化的工业CO2（来源于啤酒厂废气）进行MES，发现由城市污水厂富集的以Acetobacterium、Pseudomonas、Desulfovibrio、Sulfurospirillum、Proteiniphilum和Bacteroides占主导的混合菌群表现出优于纯培养C. ljungdahlii的乙酸产量和电子回收率，体现出更强的CO2利用能力及抗干扰性［68］。该研究验证了混合菌群在复杂气源下的稳健适应性，为MES系统在工业废气条件下的部署提供了关键实验依据。
更进一步，Villano等人构建了一种基于氢营养型产甲烷菌的生物阴极系统，高效还原CO2为甲烷［70］。该系统在还原速率（0.055 ± 0.002 mmol/（d·mgVSS））和电子捕获效率（>80%）方面表现优异。研究表明，甲烷的生成路径既包括通过H2的间接转移，也可通过微生物胞外DET实现。值得注意的是，该研究发现DET是氢营养型产甲烷菌的固有能力，并且两种电子转移机制的权重与阴极电位密切相关。这一发现拓展了微生物电催化转化的理论基础，并为提升MES系统的电子利用率提供了新路径。
（1）电极材料与结构的理性设计在电-微生物协同系统中，电极不仅是电子传递的核心介质，更是支撑微生物附着、代谢和生长的关键界面。其材料组成与微结构设计直接决定了电子通量、生物负载能力以及传质效率。因此，发展具有高比表面积、高导电性和优异生物相容性的电极材料，是提升CO2还原效率的基础策略之一。
构建具有微米-纳米多级孔结构的电极（如分层柱状阵列、仿生分形网络等）已被证明可显著提高电极的比表面积，从而为电活性微生物提供更多附着位点，增强细胞密度与生物膜稳定性。同时，这类结构优化了电解液的渗透路径与CO2的扩散通道，有效缓解传质限制，提升三相界面间的反应速率。例如，Jourdin 等人在网状玻璃体碳表面原位生长柔性MWCNTs，构建了一种兼具纳米生物相容性与优异导电性的三维阴极材料［83］。该电极独特的分层多孔结构显著增强了细菌附着与生物膜形成能力，在CO2微生物还原体系中，其电流密度与乙酸产率较碳板电极分别提升了1.7倍和2.6倍，充分体现了结构优化对反应性能的提升作用。
阴极区的微环境参数是动态变化的，微生物受到的电化学压力将体现为多方面的胁迫，其中，活性氧（ROS）的影响尤为突出。在实际工程应用中，构建有效的ROS防护体系对维持微生物电化学系统的长期稳定运行具有决定性作用。通常采取的策略包括引入物理屏蔽转化［90］、添加ROS分解剂［91］等，而从长期来看，采用微生物基因工程策略是更为直接有效的方法。例如Wu等人在C. necator中引入番茄红素合成途径，大大提高了细菌对电解过程的耐受性，实现了细菌抗活性氧与番茄红素生产的协同［74］。而Zhu团队构建了超氧化物歧化酶表面展示的C. necator菌株以分解到达细胞表面的超氧阴离子自由基，使产率比原始C. necator菌株提高了约2.7倍［92］。这些系统性研究不仅显著提升了微生物在持续电解过程中的抗氧化能力，也为应对多维度环境胁迫提供了创新性的解决方案。
在实际调控策略中，电化学选择压力已被证实是一种高效的菌株适配优化方法。通过长期施加恒定电位，可以筛选出对电极环境具有良好适应性与固碳能力的高性能微生物。Im等人系统研究了酵母提取物浓度、初始pH值及阴极电位对乙酸生成的影响［93］。结果表明，低pH值可促进CO2和H2向乙酸的转化，而在电化学体系中，-0.8 V至-1.0 V的阴极电位区间表现出近乎100%的库仑效率，在-1.0 V条件下实现了最高乙酸产率。该研究为探索电位调控下微生物代谢行为提供了实证基础。
基因调控策略则为MES系统赋予了更强的功能可塑性。Li等人以模式电活性菌Shewanella oneidensis MR-1为研究对象，构建了电子转运与碳代谢双通路增强型菌株［94］。通过过表达外源电子摄取通路关键基因（mtrB、mtrC、omcA），以及胞内CO2还原相关基因（如 nadE、fdhA1、nadD），实现了甲酸产量的显著提升，最高为野生型的5.59倍（3.50 mmol/（L·μg protein））。该研究不仅系统解析了电子传递链与代谢路径之间的耦合关系，也为未来通过合成生物学手段构建高效MES菌株提供了范式。在此基础上，光电合成系统的构建进一步扩展了微生物对电子供体的响应范围。Tu等人通过将质子泵基因Gloeobacter rhodopsin与S. oneidensis MR-1的MtrCAB复合体共表达于R. eutropha，构建了兼具光驱动和电驱动能力的人工光合作用系统（图8）［95］。该系统利用光激发驱动ATP合成，同时通过电极提供还原当量，协同促进CO2固定和生物质积累。进一步引入碳酸酐酶加速了CO2的酶促水合过程，显著增强了碳捕集效率。该策略代表了“仿自然-超自然”路径融合的新型碳固定技术，展现出光-电-生物高度整合的系统创新潜力。
在另一项代表性工作中，Lim等人开发了一个半分离型异位耦合平台，用于实现从气态CO2到PHB的高效转化（图12）［102］。该系统首先采用沉积有Sn催化剂的气体扩散电极将CO2电还原为甲酸，再通过循环系统将甲酸输送至微生物发酵单元，由R. eutropha细菌将其转化为PHB。在优化操作条件下，系统在120小时内获得了1.38 g的PHB，产率达到11.5 mg/h，展现出电催化产物高效生物利用与多碳聚合物积累的良好协同。
电-微生物耦合系统作为一种新兴的CO2高值转化路径，融合了电催化的高效能量转化能力与微生物的复杂代谢网络，在实现碳中和、发展绿色制造等方面展现出广阔的前景。原位耦合与异位耦合系统各有特点（表1，表2），然而，要实现这些体系从实验室研究向工程化、产业化转变，仍面临诸多关键性挑战和技术瓶颈，需在以下几个方面开展系统性研究与创新突破：
当前广泛应用的菌种多为天然菌株，其对电催化产物的转化能力有限，缺乏系统化的遗传操作平台，难以实现定向代谢路径设计与高效产物积累。未来研究应聚焦于构建适用于电-微系统的智能固碳底盘细胞，结合合成生物学与基因回路工程，开发可靶向表达电受体蛋白、耐电环境稳定表达外源酶的模块化工程微生物体系，从而实现CO2到多碳高值化学品的精准合成。
其中，电催化CO2还原在电解池阴极发生，反应器结构的设计对于中间产物的分离与利用至关重要.传统的H型电解池在电解质分离与产物提取方面存在较大限制，近年来逐步发展出多种新型电催化反应器，如膜电极组件（MEA）、气体扩散电极（GDE）反应器、固态电解质反应器等，显著提升了CO2还原的转化效率与产物选择性［99， 100］. ...
The integration of bio-catalysis and electrocatalysis to produce fuels and chemicals from carbon dioxide
1
2022
... 为此，近年来研究者提出将电催化与微生物催化深度集成的电-微生物耦合转化体系［9］，以突破单一技术路径的局限性.该策略以电子作为桥梁，实现电化学系统与生物系统的能量和物质协同，构建出具备高能效、选择性强和系统灵活性的固碳新平台.根据两者在空间与能量供给方式上的集成模式，该体系主要分为两类：①原位耦合系统，利用导电电极与生物膜直接电子转移，实现CO2的持续还原生成多碳脂肪酸、醇类等产物［9］，原位耦合系统的特征是电化学提供的还原力被微生物利用，而CO2固定过程由微生物内源代谢途径实现；②异位耦合系统，通过电化学系统合成C1/C2中间体（如CO、甲酸、乙酸），再由工程化微生物进一步代谢转化为更复杂的C3-C12长链有机化合物，异位耦合系统的特征是CO2的初始固定由具有催化功能的人工电极材料完成，微生物则负责将电化学固碳产物进一步转化为高附加值化合物，展现出优越的分工协同与产物合成灵活性［10］. ...
A review of microbial electrosynthesis applied to carbon dioxide capture and conversion: The basic principles, electrode materials, and bioproducts
1
2021
... 近年来，围绕提升MES系统性能，研究者提出了一系列优化策略，包括微生物代谢通路的合成生物学调控、导电材料与电极结构的纳米工程优化、反应条件（如pH、温度、电位）的动态调控，以及与电催化还原过程的多尺度协同设计等.其中，构建电催化-微生物原位耦合体系被视为提升CO2还原效率和多碳产物生成能力的关键路径之一，其核心在于实现电极-微生物界面的高效集成与电子流的定向耦合.该体系通过将电催化产生的电子或还原性中间体直接输送至固碳微生物，从而驱动其完成多步酶催化反应与碳链延伸过程.根据微生物组成模式不同，电催化-微生物原位耦合体系可分为单菌系统和混菌系统两种类型.其中，单菌系统通常选用电子传递机制明确、代谢途径清晰的纯培养菌株，在体系设计时目标导向明确［11］.其优势主要体现在：（1）菌种代谢途径已知，为电极-微生物界面相互作用机制研究提供了理想模型；（2）避免了种间竞争，通过优化能最大化地提高固碳过程的法拉第效率；（3）产物谱单一，利于后续分离纯化.然而，长期电催化过程的动态特性（如电极表面重构、代谢产物累积及副反应发生）易导致阴极室环境脱离最佳条件，由于单一菌种的抗干扰能力较差，在这种情况下，微生物生长与代谢容易失稳，难以承担长期生产任务.因此，单菌系统更适用于实验室规模的基础研究.以提高细菌与阴极环境间的适配性为目标，单菌的工程化改造与电极-生物界面微环境调控是未来的研究重点.借助基因工程工具，在未来单菌系统将在产物谱拓展上发挥更大潜力.与单菌系统相比，混菌系统通常取样自活性污泥、沼液以及土壤等环境，其微生物群落经过了长期选择与驯化，已形成稳定的种间互作关系.当暴露于电化学环境时，这类群落展现出卓越的适应能力，表现出更强的环境韧性与系统稳定性［12］.混菌系统的主要优势体现在：（1）种间分工合作，不同菌种可分别负责电子传递和碳固定等关键过程，形成功能互补的协同代谢网络；（2）代谢过程多样性，显著拓展了电催化-微生物耦合体系的应用潜能；（3）长期运行稳定性.其缺点在于群落动态调控复杂，且产物多为混合物，增加了过程监控成本和下游处理难度.并且由于种间互作机制不明确，难以定量研究微生物与电极间、不同菌种间的互作关系.在未来，针对混菌系统的研究应着重于群落互作机制研究和空间结构优化，以及开发可控的人工合成菌群体系，以实现混菌系统的定向调控和应用优化. ...
Electro-fermentation: How to drive fermentation using electrochemical systems
1
2016
... 近年来，围绕提升MES系统性能，研究者提出了一系列优化策略，包括微生物代谢通路的合成生物学调控、导电材料与电极结构的纳米工程优化、反应条件（如pH、温度、电位）的动态调控，以及与电催化还原过程的多尺度协同设计等.其中，构建电催化-微生物原位耦合体系被视为提升CO2还原效率和多碳产物生成能力的关键路径之一，其核心在于实现电极-微生物界面的高效集成与电子流的定向耦合.该体系通过将电催化产生的电子或还原性中间体直接输送至固碳微生物，从而驱动其完成多步酶催化反应与碳链延伸过程.根据微生物组成模式不同，电催化-微生物原位耦合体系可分为单菌系统和混菌系统两种类型.其中，单菌系统通常选用电子传递机制明确、代谢途径清晰的纯培养菌株，在体系设计时目标导向明确［11］.其优势主要体现在：（1）菌种代谢途径已知，为电极-微生物界面相互作用机制研究提供了理想模型；（2）避免了种间竞争，通过优化能最大化地提高固碳过程的法拉第效率；（3）产物谱单一，利于后续分离纯化.然而，长期电催化过程的动态特性（如电极表面重构、代谢产物累积及副反应发生）易导致阴极室环境脱离最佳条件，由于单一菌种的抗干扰能力较差，在这种情况下，微生物生长与代谢容易失稳，难以承担长期生产任务.因此，单菌系统更适用于实验室规模的基础研究.以提高细菌与阴极环境间的适配性为目标，单菌的工程化改造与电极-生物界面微环境调控是未来的研究重点.借助基因工程工具，在未来单菌系统将在产物谱拓展上发挥更大潜力.与单菌系统相比，混菌系统通常取样自活性污泥、沼液以及土壤等环境，其微生物群落经过了长期选择与驯化，已形成稳定的种间互作关系.当暴露于电化学环境时，这类群落展现出卓越的适应能力，表现出更强的环境韧性与系统稳定性［12］.混菌系统的主要优势体现在：（1）种间分工合作，不同菌种可分别负责电子传递和碳固定等关键过程，形成功能互补的协同代谢网络；（2）代谢过程多样性，显著拓展了电催化-微生物耦合体系的应用潜能；（3）长期运行稳定性.其缺点在于群落动态调控复杂，且产物多为混合物，增加了过程监控成本和下游处理难度.并且由于种间互作机制不明确，难以定量研究微生物与电极间、不同菌种间的互作关系.在未来，针对混菌系统的研究应着重于群落互作机制研究和空间结构优化，以及开发可控的人工合成菌群体系，以实现混菌系统的定向调控和应用优化. ...
Bioelectrocatalysis for CO2 reduction: recent advances and challenges to develop a sustainable system for CO2 utilization
1
2023
... 根据电极与微生物之间电子传递路径的不同，原位MES体系可分为两种机制［13］：（1）直接电子转移（direct electron transfer， DET）：电子由电极直接传递给贴附其上的电活性微生物；（2）间接电子转移（indirect electron transfer， IET）：电子通过中间载体（如H2、甲基紫精等）传递给微生物.随着电催化-微生物原位耦合体系的深入研究，新型电极材料和高效固碳微生物的开发取得了显著进展，体系性能持续优化.然而，该技术仍面临两个关键瓶颈问题：首先，微生物细胞膜固有的低电导率导致电子转移速率受限，进而造成系统产能低下、能量效率衰减，严重制约了其规模化应用的经济可行性；其次，依赖天然固碳途径的MES体系主要生成甲酸、乙酸、乙醇等C1、C2化合物，其产能效率较同样生产C1、C2化合物的人工电催化CO2还原系统存在明显差距，使之在规模化应用上缺乏竞争力.为了突破电子传递效率和规模化应用瓶颈，应着力优化生物-非生物电荷转移界面，降低跨膜电子传递能垒，同时充分利用合成生物学技术重构微生物代谢网络，拓展产物谱系至高附加值化合物. ...
Industrial bioelectrochemistry for waste valorization: State of the art and challenges
1
2023
... 在DET机制中，电活性微生物（如 Geobacter，Shewanella， Methanobacterium 等）依附于电极表面，通过胞外导电结构（如纳米导线、细胞色素）实现电子捕获并参与CO2还原反应［图1（a）］［14］，［15］.该机制具有能耗低、反应路径短、转化效率高等优势［16］.然而，由于电极-生物膜界面接触面积有限、微生物分布不均等问题，电子传递效率仍存在较大提升空间［17］.因此，亟需从以下三方面入手优化DET型MES体系： ...
Single cell electron collectors for highly efficient wiring-up electronic abiotic/biotic interfaces
1
2020
... 在DET机制中，电活性微生物（如 Geobacter，Shewanella， Methanobacterium 等）依附于电极表面，通过胞外导电结构（如纳米导线、细胞色素）实现电子捕获并参与CO2还原反应［图1（a）］［14］，［15］.该机制具有能耗低、反应路径短、转化效率高等优势［16］.然而，由于电极-生物膜界面接触面积有限、微生物分布不均等问题，电子传递效率仍存在较大提升空间［17］.因此，亟需从以下三方面入手优化DET型MES体系： ...
Microbial electrosynthesis-revisiting the electrical route for microbial production
1
2010
... 在DET机制中，电活性微生物（如 Geobacter，Shewanella， Methanobacterium 等）依附于电极表面，通过胞外导电结构（如纳米导线、细胞色素）实现电子捕获并参与CO2还原反应［图1（a）］［14］，［15］.该机制具有能耗低、反应路径短、转化效率高等优势［16］.然而，由于电极-生物膜界面接触面积有限、微生物分布不均等问题，电子传递效率仍存在较大提升空间［17］.因此，亟需从以下三方面入手优化DET型MES体系： ...
Purposely designed hierarchical porous electrodes for high rate microbial electrosynthesis of acetate from carbon dioxide
1
2020
... 在DET机制中，电活性微生物（如 Geobacter，Shewanella， Methanobacterium 等）依附于电极表面，通过胞外导电结构（如纳米导线、细胞色素）实现电子捕获并参与CO2还原反应［图1（a）］［14］，［15］.该机制具有能耗低、反应路径短、转化效率高等优势［16］.然而，由于电极-生物膜界面接触面积有限、微生物分布不均等问题，电子传递效率仍存在较大提升空间［17］.因此，亟需从以下三方面入手优化DET型MES体系： ...
MXene-coated biochar as potential biocathode for improved microbial electrosynthesis system
1
2021
... （1）金属基电极的精准构筑与原子级调控金属基电极材料因其出色的导电性和可调控表面特性，在MES系统中具有广泛应用潜力［18-20］.尤其是通过原子尺度设计，实现对电极活性位点的精确调控，不仅有助于增强电子-微生物界面耦合效率，也为揭示微生物电子摄取机制提供了理想平台. ...
Improved cathode for high efficient microbial-catalyzed reduction in microbial electrosynthesis cells
0
2013
Three-dimensional hierarchical metal oxide-carbon electrode materials for highly efficient microbial electrosynthesis
1
2017
... （1）金属基电极的精准构筑与原子级调控金属基电极材料因其出色的导电性和可调控表面特性，在MES系统中具有广泛应用潜力［18-20］.尤其是通过原子尺度设计，实现对电极活性位点的精确调控，不仅有助于增强电子-微生物界面耦合效率，也为揭示微生物电子摄取机制提供了理想平台. ...
Tailoring interfacial microbiome and charge dynamics via a rationally designed atomic-nanoparticle bridge for bio-electrochemical CO2-fixation
1
2023
... Xia等人提出了一种原子-纳米颗粒协同桥接策略，构建了Co单原子与Co纳米颗粒复合的桥接体系（Co-SA@Co-NP）［21］.该结构显著增强了电极表面的电负性和局部电场分布，促进了电活性甲烷菌（Methanobacterium、 Methanoculleus）的选择性富集和电子摄取.在-1.1 V（vs Ag/AgCl）电压下，系统实现了高达2512 mmol/（m2·day）的甲烷生成速率，法拉第效率高达94.1%，较传统Co-SA系统提升70倍，验证了界面结构优化对电子传输效率的深远影响. ...
Manipulating electron extraction efficiency in microbial electrochemical carbon fixation via single-atom engineering
2
2023
... 后续研究中，Xia团队进一步将Co单原子嵌入N配位环境（Co-N4）并与MOFs衍生纳米片集成，形成具有多级电子通道的Co-N4@Co-NP桥接体系［图2（a）］［22］.该设计通过增强电极-微生物的电子耦合能力，使得甲烷生成速率提升至1014 mmol/（m2·day），法拉第效率达90.1%.纳米片结构提供了丰富的电子转移位点，展现出优异的CO2电还原能力.进一步结合甲烷菌Methanosarcina barkeri构建的生物杂化体系［23］，在优化微生物附着与电子通量的双重驱动下，实现了3860 mmol/（m2·day）的甲烷生成，是传统系统的13.5倍.该系列研究充分证明了原子-纳米界面协同构筑策略在构建高效MES电极方面的应用潜力. ...

PHB ...

Augmenting succinic acid production by bioelectrochemical synthesis: Influence of applied potential and CO2 availability
1
2021
... Amulya与Venkata Mohan系统研究了外加电位对Citrobacter amalonaticus在生物电化学系统中合成琥珀酸（SA）的调控机制［图3（b）］［33］.实验结果显示，当电位由-0.7 V降至-0.9 V（vs Ag/AgCl）时，SA产量显著提高，最大可达14.4 g/L，较对照系统提升了1.29倍.进一步探究发现，CO2的供应对SA产物的形成具有显著促进作用，以碳酸盐形式提供CO2源时，SA产量达13.6 g/L.该研究首次揭示了电位梯度与碳源可用性对关键C4代谢产物合成的影响，为MES系统实现多碳产物定向调控提供了重要理论依据. ...
Microbial electrosynthesis: Feeding microbes electricity to convert carbon dioxide and water to multicarbon extracellular organic compounds
1
2010
... （1）产乙酸系统：从单菌种优化到群体协同调控早期MES研究多以Sporomusa ovata等纯培养菌种为主［34］，虽然具有明确的催化路径，但在环境适应性、代谢稳定性及电子传递效率方面存在局限.Aryal等人对Sporomusa属6种菌株在MES体系中的性能进行系统比较［35］，首次揭示了电活性与种间代谢能力之间的特异性差异，明确仅S. ovata等特定菌株具备高效MES活性.该研究从细胞外电子传递（EET）能力、生物膜形成潜力及氢代谢能力等表型特征出发，构建了MES功能菌株的筛选标准，为后续微生物资源库构建提供了理论支持. ...
Performance of different Sporomusa species for the microbial electrosynthesis of acetate from carbon dioxide
1
2017
... （1）产乙酸系统：从单菌种优化到群体协同调控早期MES研究多以Sporomusa ovata等纯培养菌种为主［34］，虽然具有明确的催化路径，但在环境适应性、代谢稳定性及电子传递效率方面存在局限.Aryal等人对Sporomusa属6种菌株在MES体系中的性能进行系统比较［35］，首次揭示了电活性与种间代谢能力之间的特异性差异，明确仅S. ovata等特定菌株具备高效MES活性.该研究从细胞外电子传递（EET）能力、生物膜形成潜力及氢代谢能力等表型特征出发，构建了MES功能菌株的筛选标准，为后续微生物资源库构建提供了理论支持. ...
Microbiome for the electrosynthesis of chemicals from carbon dioxide
1
2020
... 进一步研究开始聚焦于混菌体系的构建与优化，以增强产乙酸系统的系统鲁棒性与转化效率.LaBelle等人通过富集Acetobacterium等电活性菌群并结合碳基电极，实现了CO2向乙酸的高效转化，产率达0.13 g/（L·h），展示了微生物群体协同催化在MES系统中的巨大潜力［36］.Tharak等人则采用热震、酸震与化学处理策略对混菌群落进行选择性富集，结合电化学条件（-0.6 V），显著提升了醋酸产率（1.02 g/L），法拉第效率高达52%［37］.其研究表明，微生物群落结构调控与外加电位联用可有效提高MES系统的产物选择性与碳固定效率. ...
Chemolithoautotrophic reduction of CO2 to acetic acid in gas and gas-electro fermentation systems: Enrichment, microbial dynamics, and sustainability assessment
1
2023
... 进一步研究开始聚焦于混菌体系的构建与优化，以增强产乙酸系统的系统鲁棒性与转化效率.LaBelle等人通过富集Acetobacterium等电活性菌群并结合碳基电极，实现了CO2向乙酸的高效转化，产率达0.13 g/（L·h），展示了微生物群体协同催化在MES系统中的巨大潜力［36］.Tharak等人则采用热震、酸震与化学处理策略对混菌群落进行选择性富集，结合电化学条件（-0.6 V），显著提升了醋酸产率（1.02 g/L），法拉第效率高达52%［37］.其研究表明，微生物群落结构调控与外加电位联用可有效提高MES系统的产物选择性与碳固定效率. ...
Performance of different methanogenic species for the microbial electrosynthesis of methane from carbon dioxide
1
2019
... （2）产甲烷系统：高效电活性菌株的挖掘与机制阐释产甲烷系统作为CO2资源化的另一主流路径，其电子利用效率高、产物能量密度大，具有广阔的能源应用前景.Mayer等人对5种产甲烷菌进行了系统筛选［38］，发现Methanococcus maripaludis在-700 mV恒电位下表现出最高的甲烷产率（1.24 mmol/（L·day））和库仑效率（85.3%），显著优于其他菌株.通过代谢组与转录组分析，发现其氢化酶基因簇（mvhAGD）和固碳关键酶（如乙酸激酶、甲基转移酶）表达上调，阐明了其电子捕获与碳同化能力强的分子机制，为MES菌株定向进化与代谢工程改造提供了靶点参考. ...
High efficiency in-situ biogas upgrading in a bioelectrochemical system with low energy input
1
2021
... 在工程化应用方面，Liu等人开发了低能耗的MES平台用于原位沼气升级［39］.在-0.5 V阴极电位下，系统实现了318.5 mol/（m2·day）的CO2转化，甲烷含量提升至97%，表现出与传统物理脱碳工艺相媲美的性能.微生物群落分析显示，产乙酸型产甲烷菌Methanothrix和具DET能力的Actinobacillus高度富集，进一步证明了定向富集微生物与电极界面协同作用在CO2高效甲烷化中的关键作用. ...
Deciphering mixotrophic microbial electrosynthesis with shifting product spectrum by genome-centric metagenomics
1
2023
... （3）多碳产物合成：从C1到C6的链长拓展随着MES研究从能源产品向高值化学品拓展，多碳有机酸（如丙酸、己酸）等长链产物的定向合成成为新兴研究热点.Wang等人通过混合自养条件富集产乙酸菌，实现了产物谱的“链长提升”［图4（a）］［40］：未富集时以C3丙酸为主（40.1%选择性），而预富集后显著增加C6己酸的合成比例（12.8%）.元基因组分析揭示该转变源于脂肪酸生物合成（fatty acid biosynthesis，FAB）通路中链延长功能菌的富集.该研究强调了微生物群体结构与代谢路径对MES产物定向控制的核心作用，为有机废物与CO2协同增值提供了新范式. ...
Microbial symbiotic electrobioconversion of carbon dioxide to biopolymer (poly (3-hydroxybutyrate)) via single-step microbial electrosynthesis cell
2
2024
... 此外，Le等人构建了一个可在单一反应器内完成CO2→聚3-羟基丁酸酯（PHB）转化的一体化MES系统［图4（b）］［41］.该系统通过电活性产醋酸菌与PHB积累菌的共生共培养，在2.5 V下PHB产量提升7.14倍.借助导电聚合物对电极改性，系统中醋酸和PHB产率进一步提高.微生物组学分析表明，该系统中CO2还原菌与合成菌的协同演化机制得以长期稳定维持，展示了MES系统在高值生物材料合成方面的前景. ...

原位耦合与异位耦合的对比 ...
Improved robustness of microbial electrosynthesis by adaptation of a strict anaerobic microbial catalyst to molecular oxygen
1
2021
... 尽管目前主流的产乙酸菌与产甲烷菌在MES系统中已显示出良好性能，但其多为严格厌氧菌株，对氧气（O2）极度敏感，限制了其在开放体系中的推广应用.尽管已有研究尝试通过实验室进化增强其耐氧能力［42］，但仍需在菌种筛选、合成生物学改造及生物膜工程等方面持续突破.此外，面向未来MES系统的产品工程，应发展兼具功能分工与协同代谢能力的“合成菌群”，并结合CRISPR干预、代谢通路重构等策略，实现CO2到目标化学品的精准、高效转化. ...
Cathodes as electron donors for microbial metabolism: which extracellular electron transfer mechanisms are involved?
1
2011
... IET通常通过引入可再生的电子载体，如气态氢气（H2）或可溶性氧化还原介体（如甲基紫精、中性红等），在电极与微生物之间搭建“电子中转桥”，以克服微生物直接从电极获取电子的结构障碍［图1（b）］［43-44］.在该机制中，氧化还原介体在阴极表面首先发生还原反应，随后通过扩散或对流输运进入菌体微环境中，再在细胞膜上被微生物重新氧化，实现电子的“间接注入”，为微生物提供CO2还原所需的还原力. ...
Expanding the product spectrum of value added chemicals in microbial electrosynthesis through integrated process design-A review
1
2018
... IET通常通过引入可再生的电子载体，如气态氢气（H2）或可溶性氧化还原介体（如甲基紫精、中性红等），在电极与微生物之间搭建“电子中转桥”，以克服微生物直接从电极获取电子的结构障碍［图1（b）］［43-44］.在该机制中，氧化还原介体在阴极表面首先发生还原反应，随后通过扩散或对流输运进入菌体微环境中，再在细胞膜上被微生物重新氧化，实现电子的“间接注入”，为微生物提供CO2还原所需的还原力. ...
The one-pot synthesis of a ZnSe/ZnS photocatalyst for H2 evolution and microbial bioproduction
1
2021
... 众多固碳菌株，如Ralstonia eutropha、M. barkeri 和 Moorella thermoacetica等，均携带高效的膜结合型氢酶［45-47］.这些酶促体系可将氢气迅速转化为胞内的还原当量（如NADH或Fdred），从而驱动CO2向有机化合物的还原转化过程，实现碳固定向目标产物如乙酸、丁酸或多碳化合物的高效转化. ...
Hybrid bioinorganic approach to solar-to-chemical conversion
1
2015
... 除了Co基催化剂外，其他过渡金属材料也显示出优异的析氢性能.例如，Nichols等人利用Pt或α-NiS作为电催化材料，与固碳产甲烷菌M. barkeri耦合，构建了一个光/电驱动的MES平台，成功实现了太阳能驱动的水分解和高效率的CO2转化为甲烷，库仑效率高达86%［46］.此外，Jiang等人系统评估了In、Zn、Ti和Cu等四种金属阴极在混合培养MES系统中的表现［51］，发现Zn基阴极在乙酸生产方面优势明显，其乙酸产率和终产物浓度均显著高于其他电极材料，展现出良好的电-微生物协同效应［图5（a）］. ...
Nonmetallic abiotic-biological hybrid photocatalyst for visible water splitting and carbon dioxide reduction
1
2020
... 众多固碳菌株，如Ralstonia eutropha、M. barkeri 和 Moorella thermoacetica等，均携带高效的膜结合型氢酶［45-47］.这些酶促体系可将氢气迅速转化为胞内的还原当量（如NADH或Fdred），从而驱动CO2向有机化合物的还原转化过程，实现碳固定向目标产物如乙酸、丁酸或多碳化合物的高效转化. ...
Mo2C-induced hydrogen production enhances microbial electrosynthesis of acetate from CO2 reduction
1
2019
... （1）电极材料的优化策略在以H2为电子中介的MES系统中，阴极析氢效率是影响系统整体能量转化效率和产物收率的关键因素.由于H2的产生过程往往占据较大的能耗并影响库仑效率，因此开发高效、廉价且稳定的析氢催化材料，对于降低系统能耗、提升反应速率和促进CO2的高值转化具有重要意义［48］. ...
Efficient solar-to-fuels production from a hybrid microbial-water-splitting catalyst system
2
2015
... Nocera团队率先开发了一种廉价钴基催化剂CoPi（钴磷氧化物），其在低过电位下表现出优异的电催化水分解性能［49］.该催化剂集成于MES系统中，有效驱动固碳菌Acetobacterium， Clostridium将CO2转化为生物质与异丙醇，实现了能量效率高达热力学上限3.2%的系统运行，异丙醇浓度达到216 mg/L.然而，该系统在低电位操作条件下阴极产生的活性氧物种对微生物生长构成抑制，限制了产物产量和微生物稳定性.为解决上述问题，后续研究中该团队通过优化电极构型［50］，采用了自修复CoPi阳极与低毒性的Co-P合金阴极组合，有效减少了副产物积累，该MES模式在纯CO2和空气CO2环境下均具备高能量转化效率. ...

原位耦合与异位耦合的对比 ...
Direct utilization of industrial carbon dioxide with low impurities for acetate production via microbial electrosynthesis
1
2021
... 当前主流的MES研究主要采用高纯度CO2作为碳源，然而工业废气中的CO2通常含有多种杂质组分，这些杂质不仅会毒害微生物，还会带来大量副产物，严重制约了MES技术的实际工程应用，因此有必要探索能耐受工业复杂废气的微生物固碳菌群.Roy等人首次探索使用未净化的工业CO2（来源于啤酒厂废气）进行MES，发现由城市污水厂富集的以Acetobacterium、Pseudomonas、Desulfovibrio、Sulfurospirillum、Proteiniphilum和Bacteroides占主导的混合菌群表现出优于纯培养C. ljungdahlii的乙酸产量和电子回收率，体现出更强的CO2利用能力及抗干扰性［68］.该研究验证了混合菌群在复杂气源下的稳健适应性，为MES系统在工业废气条件下的部署提供了关键实验依据. ...
Effect of tungstate on acetate and ethanol production by the electrosynthetic bacterium Sporomusa ovata
1
2016
... 通过对培养基成分的调控，可在分子水平上激发微生物固碳代谢通路，从而提升目标产物的生成速率.Ammam等人通过在培养基中添加钨酸盐，显著提高了S. ovata中含钨酶系的表达，如氧化醛还原酶和甲酸脱氢酶，从而增强了Wood-Ljungdahl（WL）固碳代谢通路的碳流强度［69］.这种以金属离子刺激为基础的调控方式，展示了通过元素营养调节微生物电子流方向的潜力. ...
Bioelectrochemical reduction of CO2 to CH4 via direct and indirect extracellular electron transfer by a hydrogenophilic methanogenic culture
1
2010
... 更进一步，Villano等人构建了一种基于氢营养型产甲烷菌的生物阴极系统，高效还原CO2为甲烷［70］.该系统在还原速率（0.055 ± 0.002 mmol/（d·mgVSS））和电子捕获效率（>80%）方面表现优异.研究表明，甲烷的生成路径既包括通过H2的间接转移，也可通过微生物胞外DET实现.值得注意的是，该研究发现DET是氢营养型产甲烷菌的固有能力，并且两种电子转移机制的权重与阴极电位密切相关.这一发现拓展了微生物电催化转化的理论基础，并为提升MES系统的电子利用率提供了新路径. ...
Unexpected metabolic rewiring of CO2 fixation in H2-mediated materials-biology hybrids
1
2023
... 除了物理属性外，电极材料在微生物代谢调控中的“生物功能”也受到关注.Xie等人发现，在氢气氧化醋酸菌S. ovata中，电化学水分解过程引发了意料之外的代谢重编程，赋予细胞更高的ATP生成效率与还原能力［图6（c）］［71］.相较于传统H2供应方式，该材料-微生物耦合体系下的CO2转化效率从<80%提升至>95%，显著优化了乙酸产率.这一研究首次揭示了电极材料在电化学过程中对微生物代谢路径重构的诱导效应，为材料-生物界面调控提供了重要理论依据.该发现进一步推动了对功能材料在调节微生物能量流与代谢网络中的作用机制的认识，有助于构建可预测、自适应的MES系统，为后续的人工生物系统设计和高效固碳平台开发奠定基础. ...
Carbon dioxide to bio-oil in a bioelectrochemical system-assisted microalgae biorefinery process
1
2022
... Bolognesi等人提出了一种将MES与异养微藻培养耦合的两步工艺，开创性地实现了从CO2到生物油脂的间接高值转化［72］.该系统首先以产乙酸菌群为主，在MES反应器中将CO2电还原为乙酸（最高浓度可达13 g/L），再直接利用反应器出水作为营养基质，供异养微藻生长和油脂积累.最终，微藻细胞干重中的生物油含量达到22%，每捕获1 kg CO2可产出0.03 kg生物油.此策略打破了CO2直接向脂类产物合成的生物代谢障碍，展现出跨界系统集成的优势，为碳捕集与绿色燃料合成提供了新范式. ...
Gas fermentation combined with water electrolysis for production of polyhydroxyalkanoate copolymer from carbon dioxide by engineered Ralstonia eutropha
1
2024
... R. eutropha作为模式固碳菌株，因其独特的自养代谢能力与遗传背景，已被广泛应用于多碳产物合成研究.Di Stadio等人开发了一种循环气体控制系统，精准调节H2、O2和CO2三者比例，用于自养培养R. eutropha合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）［73］.该系统以电解水产生的低浓度H2为能量来源，结合基因工程手段，显著提升了PHA的细胞含量（高达69.2 wt%）和产率（1.71 g/L），为构建CO2到可降解塑料的生物合成路径奠定了技术基础. ...
Efficient production of lycopene from CO2 via microbial electrosynthesis
3
2022
... Wu等人则进一步利用MES平台和工程化R. eutropha，实现了从CO2和H2原料到高附加值天然色素番茄红素的生物合成［图6（b）］［74］.该系统通过电极析氢为菌体持续提供还原力，在无机催化与生物合成之间建立有效耦合路径.值得注意的是，即使以燃煤电厂废气作为CO2来源，系统仍能实现1.73 mg/L番茄红素的产量，突破了传统MES对纯净气源的依赖，为工业尾气高值利用提供了全新技术路径. ...

尽管可溶性介体在电子转移效率上表现良好，但其回收困难、易扩散损失、干扰产物分离纯化等问题限制了其在工业化中的进一步应用［81］.因此，研究者逐步转向基于高导电性材料的电极界面修饰策略，以提升电子传递效率并稳定微生物附着. ...
Fundamentals, applications, and future directions of bioelectrocatalysis
1
2020
... 尽管可溶性介体在电子转移效率上表现良好，但其回收困难、易扩散损失、干扰产物分离纯化等问题限制了其在工业化中的进一步应用［81］.因此，研究者逐步转向基于高导电性材料的电极界面修饰策略，以提升电子传递效率并稳定微生物附着. ...
Enhanced electron transfer on microbial electrosynthesis biocathode by polypyrrole-coated acetogens
1
2020
... Luo等人采用聚吡咯（PPy）涂覆技术对产乙酸混合菌群构建生物阴极［82］.结果表明，PPy改性显著降低了电荷传递阻抗（降低33%-70%），乙酸产率与法拉第效率提升36倍.长达960小时的运行实验表明，Acetobacterium，Desulfovibrio与Acinetobacter 成为优势菌群，显示出PPy在调控菌群结构和增强系统稳定性方面的积极作用.进一步的分子机制研究揭示，PPy涂覆激活了由醌环与NADH脱氢酶介导的泛醌电子转移路径，而细胞色素c类在电子传递中的作用较小，提出了新的电子转移机制理解框架. ...
A novel carbon nanotube modified scaffold as an efficient biocathode material for improved microbial electrosynthesis
1
2014
... 构建具有微米-纳米多级孔结构的电极（如分层柱状阵列、仿生分形网络等）已被证明可显著提高电极的比表面积，从而为电活性微生物提供更多附着位点，增强细胞密度与生物膜稳定性.同时，这类结构优化了电解液的渗透路径与CO2的扩散通道，有效缓解传质限制，提升三相界面间的反应速率.例如，Jourdin 等人在网状玻璃体碳表面原位生长柔性MWCNTs，构建了一种兼具纳米生物相容性与优异导电性的三维阴极材料［83］.该电极独特的分层多孔结构显著增强了细菌附着与生物膜形成能力，在CO2微生物还原体系中，其电流密度与乙酸产率较碳板电极分别提升了1.7倍和2.6倍，充分体现了结构优化对反应性能的提升作用. ...
Growth of carbon nanotubes on graphene as 3D biocathode for NAD+/NADH balance model and high-rate production in microbial electrochemical synthesis from CO2
1
2019
... 在此基础上，Han等人开发了三维石墨烯-CNTs杂化材料，用于构建高效的MES生物阴极［84］.该材料展示出三方面的显著优势：（1）电子传导增强：三维杂化结构有效强化了生物膜与电极之间的接触界面，显著降低电子传递阻力，电流密度与乙酸产率分别提升了4.4倍和5倍；（2）比表面积提升：材料比表面积高达344.17 m2/g，为微生物提供了丰富的附着空间，增强了生物负载密度；（3）代谢途径调控：通过NAD+/NADH平衡模型揭示，该材料可诱导细胞代谢路径向CO2固定与乙酸生成方向偏移，进一步提高系统碳转化效率.该研究为电极材料功能化设计与微生物代谢路径调控的优化提供了新范式. ...
CO2 electroreduction to multicarbon products in strongly acidic electrolyte via synergistically modulating the local microenvironment
1
2022
... 另一方面，Zang 团队通过开发气溶胶喷射打印方法，利用氧化铟锡（ITO）纳米颗粒构建具有不同高度与亚微米结构特征的微柱阵列电极［85］.将该电极与蓝细菌聚囊藻耦合后，发现其微分支结构能显著提高电子通量输出，与传统多孔电极相比，电流密度几乎翻倍.当微柱高度提升至600 μm 时，电极可获得高达 245 μA/cm2的光电流密度及29%的外部量子效率，接近理论上限.这一成果不仅推动了基于光合微生物的电-生物融合系统性能极限，也为构建多功能、高性能三维电极提供了技术路线与结构灵感. ...
High efficiency microbial electrosynthesis of acetate from carbon dioxide by a self-assembled electroactive biofilm
1
2017
... 在电极材料优化方面，Song等人利用石墨烯氧化物（GO）为前驱体，借助微生物原位还原策略构建了三维还原型石墨烯氧化物（rGO）/生物膜复合结构，显著提升了电子传递速率并降低系统内阻［86］.得益于rGO的高导电性与生物膜的稳定结合，MES系统在运行40天后仍可稳定产乙酸，其浓度高达7.1 ± 0.3 g/L，库仑效率达77%，显著优于未修饰对照组.该研究表明，开发具备自修复性与协同导电能力的3D电活性生物膜，是未来实现高效电子传递和稳定运行的关键路径. ...
Atomic pyridinic nitrogen as highly active metal-free coordination sites at the biotic-abiotic interface for bio-electrochemical CO2 reduction
1
2023
... 除了结构工程外，从微观电子转移机制出发对材料进行功能化修饰也展现出巨大潜力.Xia等人提出利用吡啶氮作为非金属电子转移中心，通过热解沸石咪唑骨架构建出氮掺杂碳纳米片，该材料能够增强与微生物之间的电子交互［87］.研究发现，吡啶氮位点不仅提高了界面电荷提取能力，还通过降低电子转移势垒，显著提升了甲烷的产率（≈215.7 mmol/（m2·day））及法拉第效率（≈94.2%）.该成果揭示了碳材料电子结构调控在MES中的微观作用机制，为构建界面定向电子通道提供了理论依据与设计思路. ...
Syntrophic interspecies electron transfer drives carbon fixation and growth by Rhodopseudomonas palustris under dark, anoxic conditions
1
2017
... 进一步地，种间电子转移机制作为一种拓展性强、协同性高的界面策略，近年来也成为优化MES性能的新焦点.Liu 等人在黑暗厌氧条件下研究了Rhodopseudomonas palustris与产乙酸菌之间的互营代谢关系，发现其可通过H2或甲酸为中介，实现CO2高效还原为乙酸［88］.更重要的是，R. palustris可借助其细胞色素c和导电纳米线将电子直接传递至产甲烷菌，进而耦合完成乙酸的氧化与甲烷生成，实现碳还原和能量回收的协同.该互营系统中，CO2转化速率提升44.6%-48.2%，且产甲烷菌占比高达85.1%，展现出良好的生态稳定性与高效能转化特性. ...
Conductive magnetite nanoparticles trigger syntrophic methane production in single chamber microbial electrochemical systems
1
2020
... 在此基础上，Vu 等人进一步引入导电性磁铁矿纳米粒子作为人工电子介体，有效促进了微生物间的直接种间电子转移［89］.结果显示，甲烷产量达到0.37 ± 0.009 L CH4/g COD，较对照组提高42%；同时电流输出提升至9.6 mA.循环伏安与电化学阻抗谱分析证实，磁铁矿纳米粒子可有效降低溶液内阻与电荷转移电阻，增强生物膜的催化活性.这一策略通过材料工程与微生态调控相结合，为突破MES系统电子转移瓶颈提供了可行路径. ...
Integrated electromicrobial conversion of CO2 to higher alcohols
5
2012
... 阴极区的微环境参数是动态变化的，微生物受到的电化学压力将体现为多方面的胁迫，其中，活性氧（ROS）的影响尤为突出.在实际工程应用中，构建有效的ROS防护体系对维持微生物电化学系统的长期稳定运行具有决定性作用.通常采取的策略包括引入物理屏蔽转化［90］、添加ROS分解剂［91］等，而从长期来看，采用微生物基因工程策略是更为直接有效的方法.例如Wu等人在C. necator中引入番茄红素合成途径，大大提高了细菌对电解过程的耐受性，实现了细菌抗活性氧与番茄红素生产的协同［74］.而Zhu团队构建了超氧化物歧化酶表面展示的C. necator菌株以分解到达细胞表面的超氧阴离子自由基，使产率比原始C. necator菌株提高了约2.7倍［92］.这些系统性研究不仅显著提升了微生物在持续电解过程中的抗氧化能力，也为应对多维度环境胁迫提供了创新性的解决方案. ...

原位耦合与异位耦合的对比 ...
Mn3O4 nanozyme coating accelerates nitrate reduction and decreases N2O emission during photoelectrotrophic denitrification by Thiobacillus denitrificans-CdS
1
2020
... 阴极区的微环境参数是动态变化的，微生物受到的电化学压力将体现为多方面的胁迫，其中，活性氧（ROS）的影响尤为突出.在实际工程应用中，构建有效的ROS防护体系对维持微生物电化学系统的长期稳定运行具有决定性作用.通常采取的策略包括引入物理屏蔽转化［90］、添加ROS分解剂［91］等，而从长期来看，采用微生物基因工程策略是更为直接有效的方法.例如Wu等人在C. necator中引入番茄红素合成途径，大大提高了细菌对电解过程的耐受性，实现了细菌抗活性氧与番茄红素生产的协同［74］.而Zhu团队构建了超氧化物歧化酶表面展示的C. necator菌株以分解到达细胞表面的超氧阴离子自由基，使产率比原始C. necator菌株提高了约2.7倍［92］.这些系统性研究不仅显著提升了微生物在持续电解过程中的抗氧化能力，也为应对多维度环境胁迫提供了创新性的解决方案. ...
Construction of Cupriavidus necator displayed with superoxide dismutases for enhanced growth in bioelectrochemical systems
1
2023
... 阴极区的微环境参数是动态变化的，微生物受到的电化学压力将体现为多方面的胁迫，其中，活性氧（ROS）的影响尤为突出.在实际工程应用中，构建有效的ROS防护体系对维持微生物电化学系统的长期稳定运行具有决定性作用.通常采取的策略包括引入物理屏蔽转化［90］、添加ROS分解剂［91］等，而从长期来看，采用微生物基因工程策略是更为直接有效的方法.例如Wu等人在C. necator中引入番茄红素合成途径，大大提高了细菌对电解过程的耐受性，实现了细菌抗活性氧与番茄红素生产的协同［74］.而Zhu团队构建了超氧化物歧化酶表面展示的C. necator菌株以分解到达细胞表面的超氧阴离子自由基，使产率比原始C. necator菌株提高了约2.7倍［92］.这些系统性研究不仅显著提升了微生物在持续电解过程中的抗氧化能力，也为应对多维度环境胁迫提供了创新性的解决方案. ...
Clostridium ljungdahlii as a biocatalyst in microbial electrosynthesis--Effect of culture conditions on product formation
1
2022
... 在实际调控策略中，电化学选择压力已被证实是一种高效的菌株适配优化方法.通过长期施加恒定电位，可以筛选出对电极环境具有良好适应性与固碳能力的高性能微生物.Im等人系统研究了酵母提取物浓度、初始pH值及阴极电位对乙酸生成的影响［93］.结果表明，低pH值可促进CO2和H2向乙酸的转化，而在电化学体系中，-0.8 V至-1.0 V的阴极电位区间表现出近乎100%的库仑效率，在-1.0 V条件下实现了最高乙酸产率.该研究为探索电位调控下微生物代谢行为提供了实证基础. ...
Metabolic regulation of Shewanella oneidensis for microbial electrosynthesis: From extracellular to intracellular
2
2023
... 基因调控策略则为MES系统赋予了更强的功能可塑性.Li等人以模式电活性菌Shewanella oneidensis MR-1为研究对象，构建了电子转运与碳代谢双通路增强型菌株［94］.通过过表达外源电子摄取通路关键基因（mtrB、mtrC、omcA），以及胞内CO2还原相关基因（如 nadE、fdhA1、nadD），实现了甲酸产量的显著提升，最高为野生型的5.59倍（3.50 mmol/（L·μg protein））.该研究不仅系统解析了电子传递链与代谢路径之间的耦合关系，也为未来通过合成生物学手段构建高效MES菌株提供了范式.在此基础上，光电合成系统的构建进一步扩展了微生物对电子供体的响应范围.Tu等人通过将质子泵基因Gloeobacter rhodopsin与S. oneidensis MR-1的MtrCAB复合体共表达于R. eutropha，构建了兼具光驱动和电驱动能力的人工光合作用系统（图8）［95］.该系统利用光激发驱动ATP合成，同时通过电极提供还原当量，协同促进CO2固定和生物质积累.进一步引入碳酸酐酶加速了CO2的酶促水合过程，显著增强了碳捕集效率.该策略代表了“仿自然-超自然”路径融合的新型碳固定技术，展现出光-电-生物高度整合的系统创新潜力. ...

原位耦合与异位耦合的对比 ...
Engineering artificial photosynthesis based on rhodopsin for CO2 fixation
3
2023
... 基因调控策略则为MES系统赋予了更强的功能可塑性.Li等人以模式电活性菌Shewanella oneidensis MR-1为研究对象，构建了电子转运与碳代谢双通路增强型菌株［94］.通过过表达外源电子摄取通路关键基因（mtrB、mtrC、omcA），以及胞内CO2还原相关基因（如 nadE、fdhA1、nadD），实现了甲酸产量的显著提升，最高为野生型的5.59倍（3.50 mmol/（L·μg protein））.该研究不仅系统解析了电子传递链与代谢路径之间的耦合关系，也为未来通过合成生物学手段构建高效MES菌株提供了范式.在此基础上，光电合成系统的构建进一步扩展了微生物对电子供体的响应范围.Tu等人通过将质子泵基因Gloeobacter rhodopsin与S. oneidensis MR-1的MtrCAB复合体共表达于R. eutropha，构建了兼具光驱动和电驱动能力的人工光合作用系统（图8）［95］.该系统利用光激发驱动ATP合成，同时通过电极提供还原当量，协同促进CO2固定和生物质积累.进一步引入碳酸酐酶加速了CO2的酶促水合过程，显著增强了碳捕集效率.该策略代表了“仿自然-超自然”路径融合的新型碳固定技术，展现出光-电-生物高度整合的系统创新潜力. ...

原位耦合与异位耦合的对比 ...
Strongly coupled Ag/Sn-SnO2 nanosheets toward CO2 electroreduction to pure HCOOH solutions at ampere?level current
1
2024
... 其中，电催化CO2还原在电解池阴极发生，反应器结构的设计对于中间产物的分离与利用至关重要.传统的H型电解池在电解质分离与产物提取方面存在较大限制，近年来逐步发展出多种新型电催化反应器，如膜电极组件（MEA）、气体扩散电极（GDE）反应器、固态电解质反应器等，显著提升了CO2还原的转化效率与产物选择性［99， 100］. ...
Structuring Cu membrane electrode for maximizing ethylene yield from CO2 electroreduction
1
2024
... 其中，电催化CO2还原在电解池阴极发生，反应器结构的设计对于中间产物的分离与利用至关重要.传统的H型电解池在电解质分离与产物提取方面存在较大限制，近年来逐步发展出多种新型电催化反应器，如膜电极组件（MEA）、气体扩散电极（GDE）反应器、固态电解质反应器等，显著提升了CO2还原的转化效率与产物选择性［99， 100］. ...
Converting CO2 to single-cell protein via an integrated electrocatalytic-biosynthetic system
1
2024
... 在设计半分离型电催化-生物合成集成系统时，需同时兼顾两个关键因素：电解液碱性环境对微生物活性的抑制作用，以及培养基成分对电催化性能的影响（特别是阴极可能发生的阳离子沉积问题）.面对这种问题，Cui等人提出了一种创新性的解决方案：优化细菌在电解液中适应性的同时，引入膜电极组件和双电极流通池系统［101］.流通池中甲酸的了连续生产为Paracoccus communis提供了类似于分批补料的环境，该系统实现了0.114 OD h?1的指数生长速率和2.6 g L?1的细胞干重积累，其中单细胞蛋白含量达45%，电能至生物质的转化效率达9.2%.该工作通过系统优化解决了电催化与生物合成模块的兼容性问题，后续通过氮代谢的优化，有望进一步提高蛋白产量. ...
Biohybrid CO2 electrolysis for the direct synthesis of polyesters from CO2
4
2023
... 在另一项代表性工作中，Lim等人开发了一个半分离型异位耦合平台，用于实现从气态CO2到PHB的高效转化（图12）［102］.该系统首先采用沉积有Sn催化剂的气体扩散电极将CO2电还原为甲酸，再通过循环系统将甲酸输送至微生物发酵单元，由R. eutropha细菌将其转化为PHB.在优化操作条件下，系统在120小时内获得了1.38 g的PHB，产率达到11.5 mg/h，展现出电催化产物高效生物利用与多碳聚合物积累的良好协同. ...

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