微生物-電極修飾及影響電合成轉化CO2過程的研究進展

摘要： 微生物電合成（microbial electrosynthesis，MES）是一種利用電活性微生物攝取胞外電子，將CO2或有機廢料轉化為可再生化學品的技術。首先，文中闡述了電極的改性方式，碳基材料以其多樣的形態、優異的化學穩定性和高比表面積等優點，在電極改性中發揮著重要作用， 其主要是通過提供更多的微生物附著點和增強電子傳遞效率改善MES；而非碳基材料如金屬材料等，因其優異的導電性和催化活性，則被廣泛用于提升電極性能，其作用機制在于加速電極上的催化反應和促進特定產品的生成。其次，從電活性微生物角度入手，揭示了在電極材料修飾和微生物細胞修飾上的共同點都是能夠提高微生物的電子傳遞能力，不同點在于微生物細胞修飾可以直接作用于微生物的生理和遺傳特性，以增強其電子傳遞能力和底物轉化效率。此外，分析了納米材料與高附加值產品之間的關系，認為合理選擇和制備電極材料及微生物細胞修飾策略，對于提高MES系統的效率和產物選擇性至關重要。最后，對MES技術面臨的挑戰和未來的研究方向進行了展望。

關鍵詞： 微生物電合成（MES）； CO2轉化； 電極修飾； 電活性微生物； 胞外電子傳遞； 納米材料

中圖分類號： Q 939.9； X 701文獻標志碼： A"" 文章編號： 1000-5013（2024）05-0559-16

Advances in Microbial-Electrode Modification and Influence on Process of Electrosynthesis to Convert CO2

Abstract： Microbial Electrosynthesis （MES） is a technology that uses electroactive microorganisms to take up extracellular electrons to convert CO2 or organic wastes into renewable chemicals. In this paper， the electrode modification approach is firstly described， and it is pointed out that carbon-based materials， with their diverse morphology， excellent chemical stability and high specific surface area， play an important role in electrode modification， and their mechanism of action is mainly through providing more microbial attachment points and enhancing the electron transfer efficiency. While non-carbon based materials， such as metallic materials， are widely used to enhance electrode performance due to their excellent electrical conductivity and catalytic activity， and their mechanism of action lies in accelerating the catalytic reaction on the electrode and promoting the generation of specific products. Secondly， from the perspective of electroactive microorganisms， the article reveals that the common point on the modification of electrode materials and microbial cell modification is to enhance the microbial electron transfer ability， and the difference is that the microbial cell modification can directly act on the physiological and genetic characteristics of microorganisms in order to enhance the electron transfer ability and the efficiency of substrate conversion. In addition， the article analyses the relationship between nanomaterials and high value-added products， and concludes that the rational selection and design of electrode materials and microbial cell modification strategies are crucial for improving the efficiency and product selectivity of MES systems. Finally， it provides an outlook on the challenges and future research directions of MES technology.

Keywords： microbial electrosynthesis （MES）； CO2 conversion； electrode modification； electroactive microorganisms； extracellular electron transfer； nanomaterials

二氧化碳（CO2）是導致全球氣候變化的主要溫室氣體之一。為應對大量CO2排放造成的氣候問題，2015年12月，聯合國在法國巴黎召開第21屆聯合國氣候變化大會并凝聚共識達成《巴黎協定》，要求締約方盡快達到溫室氣體排放的全球峰值，并在本世紀下半葉實現溫室氣體源凈零排放［1］。然而，2023年，CO2的排放總量還是增長了1.1%，非但沒有迅速下降，反而達到了創紀錄的3.74×1010 t［2］。因此，如何有效解決CO2排放已成為研究熱點。

在成熟的CO2利用技術中，存在著包括反應空間要求高、能耗巨大、催化劑昂貴、產物多為一碳化合物等缺點［3］。微生物電合成（microbial electrosynthesis，MES）可以利用具有細胞外電子傳遞（extracellular electron transfer，EET）能力的電活性微生物作為生物催化劑［4］，通過在電極上的直接（direct electron transfer，DET）或間接電子傳遞（mediated electron transfer，MET）攝取胞外電子，同時將有機或無機物質轉化為能量密度更高的產物［5］。MES是一個復雜的過程，從細胞內到細胞外有多次氧化還原反應，這一過程的效率受多種因素影響，包括微生物代謝、物質傳遞、胞外聚合物、界面上的電子傳遞阻力等［6］。近年來，為了消除微生物和電極之間的界面效應，提高MES的效率，國內外廣泛關注了利用納米材料對參與MES的電極、微生物進行修飾，使電子有效地從電極轉移到微生物［7］。

基于此，本文對近幾年微生物電合成（MES）的發展進行了總結。首先從電極材料和電活性微生物的修飾兩個方面闡述了提高MES系統的效率和產物選擇性的方法，分析過程作用機制；其次，詳細闡述了通過各種納米修飾策略在MES生產C1，C2，C3，C4等高附加值化學品的進展，解釋不同納米材料修飾對于產物選擇性的作用機制；最后，根據目前存在的問題對未來MES的研究方向進行了展望。

1 微生物電合成還原CO2過程中微生物-電極的修飾策略

微生物電合成（MES）可以對CO2進行轉化，生產高附加值化學品，如甲烷、乙酸、乙醇、丁酸、丁醇和己酸等［8］。然而，MES也有存在一些局限性，主要包括：1） 有機物合成需要大量的電子消耗；2） 需要外部的能量供應來激活生物膜的自養生長；3） 從陰極到微生物較低的電子轉移速率，減緩了CO2的還原過程［9-10］。這些問題的根本在于微生物外膜與陰極之間存在界面，兩者之間無法實現快速的電子交互。為了解決這些問題，探索MES的可行性，國內外研究人員從電極材料的改造和電活性微生物的修飾兩個方面入手。

1.1 電極材料修飾

電極材料的主要修飾方法，如圖1所示。

1.1.1 碳基材料 碳基材料由于其多樣的形態、優異的化學穩定性和高比表面積等優點，在電極材料應用方面獨具優勢，受到極大的青睞［11］。此外，碳基材料出色的生物相容性和導電性也可有效促進電活性細菌的增殖，提高MES效率［12］。

Nevin等［13］利用帶負電的固態石墨塊陰極作為電子供體源，首次證明了陰極材料改性后通過微生物在MES中還原CO2的原理。

不同形狀和類型的碳電極，如碳棒碳布、碳氈、活性炭、氣體擴散活性炭、顆粒、纖維棒和網狀玻璃等，已被普遍用作MES系統的陰極。如碳氈（carbon felt，CF）具有高孔隙率、高表面積，以及能進一步表面改性的柔韌性優點，可作為陰極優化乙酸的生產。Bajracharya等［14］使用石墨氈和不銹鋼組件作為MES系統的陰極，在析氫電位下，分別通過混合培養物和Clostridium ljungdahlii研究MES的CO2還原［14］，如圖2所示。但碳基電極也存在一些缺點，如其孔隙率較差、生物電化學活性表面積有限、內阻高、還原當量供應不足和高活化電位而無法實現高生產率［15］。

近年來，一些研究人員提出對碳基材料進行改進，如通過高孔隙率、高表面積與體積比，以及在電極表面誘導電荷和/或官能團來改善生物相容、增加電導率、誘導催化活性，并降低閾值活化能，以促進電極和微生物之間的電子轉移。其中用碳基納米材料改性的陰極獲得了較好的結果，其產量和電流密度高出未改性的數倍［16-17］。例如，Jiang等［18］構建了一個配備漿液電極的新型雙室ME-MES集成系統，通過添加粉末活性炭（activated carbon，AC）對CF改性，并評估電解液中粉末活性炭（AC）濃度對化學品生產的影響。結果發現，5 g·L-1的AC可產生高達13.4 g·L-1的乙酸，與沒有AC的對照組相比增加了179%。

在過去的十年中，氧化石墨烯（graphene oxide，GO）在MES中得到了深入研究［19］。GO不僅可以促進細菌增殖、細胞粘附及細胞代謝，

還具有出色的導電性、高載流子遷移率，以及出色的固有機械強度、化學穩定性和較大的比表面積。Li等［20］將GO/PEDOT改性電極應用于將CO2還原成CH4的MES中，在CH4的最大生產率為315.3 mmol·（m2·d）-1，法拉第效率大于92%，與裸碳布相比提高了3.9倍，如圖3所示。其次，MXenes作為一類二維（2D）電極材料，由于其優越的性能，包括出色的導電性、離子嵌入行為和親水性，受到廣泛關注［21］。Khurram等［22］將MXene結構涂覆在生物炭基板上，結果表明，與未涂層的生物炭相比，該涂層具有改進的導電性，更高的電荷轉移效率和選擇性微生物富集特性，導致陰極電流產生增加2.3倍，如圖4所示。Han等［23］將一維碳納米管與二維石墨烯納米片（GN-CNTs）相結合，描述了一種新的3D材料微生物電極。結果表明，3D GN-CNTs電極在其多孔結構內實現了較強的細菌附著和增殖，其宏觀結構和納米結構的結合可以有效地在陰極表面提供正電荷，提高電流消耗和微生物電化學合成速率，如圖5所示。

在MES中，利用碳基材料對陰極電極改性能夠提高系統的整體性能和效率。改性后的碳質碳基電極能夠增強微生物與電極的相互作用，提升電子傳遞速率，從而促進更多的底物轉化為目標產物。此外，碳材料的高比表面積和良好的化學穩定性有助于微生物的附著和生物膜的形成，且碳材料的導電性能有助于提高電極的生物相容性和電子傳輸效率，對于實現MES系統的高效運行和可再生能源的生產至關重要。

1.1.2 非碳基材料 金屬材料以其優異的導電性、穩定性和優異的催化活性，被廣泛認為是MES中有效的電極修飾材料［24］。單金屬催化劑具有良好的可控性且相對容易制備，使其成為極具吸引力的催化劑和陰極改性材料。Zhu等［25］制備銦（In）、鋅（Zn）、鈦（Ti）和銅（Cu）四種不同金屬基的電催化劑箔。通過恒流電化學實驗表明，四種金屬電極都表現出高并聯性，最大乙酸產率出現在Zn電極，為1.23 g·（L·d）-1，如圖6所示。雖然貴金屬，如銥（Ir）、鉑（Pt）和鈀（Pd）等，已經顯示出優異的電催化活性，但也存在高成本和低豐度等缺點［26］。因此，尋找實際可行的高效非貴金屬催化劑至關重要。

與純金屬催化劑相比，合金和復合材料具有性能優越、成本低等優勢，近年來日益受到重視［27］。復合材料的摻入，將非金屬材料的大比表面積和親水性性能與金屬材料的高導電性和催化活性相結合，為MES陰極的性能提升和應用范圍拓寬提供了有效途徑［28-29］。Cui等［30］使用CF作為微波吸收劑對二茂鐵進行微波熱解，從而在CF電極上生長出氧化鐵（Ⅲ）石墨化碳。這種復合材料呈現出多長尺度的多孔結構，具有高比表面積，優異的導電性和穩定性。乙酸產率超過14.9 kg·（m3·d）-1，電子回收率為（86±9）%，如圖7所示。

對于某些金屬，如Cu，Ag等，由于其抗菌性能而在生物電化學系統中受到限制的問題，可以通過復合材料的制備解決。例如，Nabin等［31］通過引入具有高生物相容性的還原氧化石墨烯（rGO），提高了生物相容性，促進了細菌在電極表面形成致密且具有電活性的生物膜，同時實現了1 697.6 mmol·（m2·d）-1的高乙酸產出率，如圖8所示。

通過調整金屬氧化物的元素組成和納米形態，可以制備出更多的納米雜化催化劑。Dayakar等［32］開發了一種由納米線與裝飾在GO上的MnO2結合，以花狀形態相互連接而成的陰極，用于MES生產乙酸和異丁酸，這增加了CO2吸收能力，降低了電子轉移阻力。一些金屬氧化物的加入給MES陰極帶來了更多的功能，如磁鐵礦（Fe3O4）作為天然的末端電子受體，具有良好的生物相容性和低毒性，有助于改善EET［33］。He等［34］通過將Fe3O4 NPs摻入GO溶液中，并將磁體包裹在碳布中，使生物復合物與電極之間形成磁性吸引，形成更厚的雜交生物膜。結果表明，CH4生成率與碳布生物陰極相比增加了14.5倍，如圖9所示。

總而言之，金屬、合金和復合材料通常具有良好的導電性和催化活性。通過三者對陰極材料進行修飾，能夠更有效地促進MES中的陰極反應，如CO2還原反應（CO2RR）；同時也可以有效提高MES的電子傳遞效率，提升了整個系統在高電流密度下的穩定性和性能，從而推動這一技術在高效能源轉換和環境治理中的應用。

1.2 微生物細胞修飾

與對電極材料進行修飾相比，對微生物進行修飾可以直接作用于MES中的生物活性中心，提高微生物的內在活性和EET效率，減少對外部電子介體的依賴，從而降低系統成本；同時，也可能促進具有特定催化功能的微生物種群的富集，實現更高效和特異的電化學轉化［35-36］。此外，通過合成生物學手段對微生物進行基因層面的改造，可以精確調控其代謝途徑，實現對微生物功能的定制化設計，為微生物電合成技術的發展提供了更廣闊的應用前景和更高的靈活性［37］。在MES中對微生物進行修飾主要分為三種方法，如圖10所示。

第一種方法是通過基因工程對微生物細胞進行修飾和改造，以提高其胞外電子的傳遞效率。例如，通過篩選模式產電微生物希瓦氏菌（S. oneidensis MR-1）基因組上有利于囊泡分泌的相關基因，然后對基因工程進行改造，可以提高胞外電子傳遞效率［38］。Ding等［37］基于生物電子生成代謝途徑的結構，通過一種模塊化工程策略，拓寬胞內電子池的來源，促進胞內煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）再生，促進電子池的電子釋放，成功提高了S. oneidensis MR-1的EET效率，如圖11所示。利用分子生物學及合成生物學手段，可以通過調控細胞電子傳遞路徑、胞內還原力水平和胞內信號分子的表達，從而增強微生物的電子傳遞能力［39-40］。

第二種微生物細胞修飾的方法是用導電納米顆粒、導電納米材料修飾或涂覆微生物細胞。Jiang等［41］通過在Shewanella PV-4的細胞表面均勻聚集FeS納米顆，進而改善了電極的EET，如圖12所示。此外，導電聚合物具有可調節的導電性、電化學穩定性，以及優異的親水性和高生物相容性等優勢，更符合MES系統中構建陰極的要求［42］。通過在微生物細胞表面涂覆一層聚合物可以提高導電性和親水性，從而使細菌粘附性強，提高EET效率和運行穩定性［36］。Song等［43］通過將聚吡咯（polypyrrole，PPy）涂覆在S. oneidensis MR-1，Ochrobacterium anthropic， Escherichia coli，Streptococcus thermophilus四種細菌上來改善微生物-電極相互作用，發現PPy不僅提高了直接接觸EET效率，而且提高了細菌活力。在這項研究中，觀察到S. oneidensis MR-1在功率輸出方面的EET增強了約14倍，如圖13所示。

第三種微生物修飾方法是通過嵌入或者附著的方式，將納米材料與微生物的活性位點直接接觸，進一步提高其胞外電子轉移速率［44］。例如，He等［45］將CdS與S. ovata一起共培養形成復合體并用于光催化（原理與微生物燃料電池類似），成功將CO2轉化為乙酸。結果發現，電子傳遞相關蛋白（黃素蛋白、鐵氧還原蛋白）、甲酸轉化途徑相關蛋白（FTL）等被激活，說明納米材料修飾后提高電子傳遞基因的表達，如圖14所示。除此以外，碳點（carbon dots，CDs）作為一種高導電性和低生物毒性的碳基納米材料，已有研究者將其應用于MES，增強細菌的跨膜和胞外電子轉移速率，提高微生物自身產電能力［46-48］。Yang等［49］進一步分析CDs與S. oneidensis MR-1形成的復合體的代謝過程。結果發現，復合體的S. oneidensis MR-1的代謝速率會加快，細胞內電荷增加，三磷酸腺苷水平更高，底物消耗更快，細胞外分泌更豐富，因此CDs能夠促進S. oneidensis MR-1的能量代謝，如圖15所示。

在MES中，電極材料修飾主要是通過在電極表面修飾碳基材料或者金屬提高其電極電導率，以及制造多孔結構提高微生物負載量來加強EET效率。細胞修飾主要在細胞外膜至細胞膜上修飾納米材料，降低陰極和細胞表面電子傳遞之間的界面影響，甚至影響細胞內部代謝來強化MES效率。相較而言，微生物改性的優勢在于能夠精確調控生物催化劑的內在特性，提高微生物對底物的轉化率和選擇性，增強其在電極表面的附著能力和生物膜的形成，以及優化微生物的代謝途徑以生產特定的高價值化合物，為MES的發展提供了更廣闊的應用前景和更高的靈活性。

2 MES還原CO2生成的高附加值產品

到目前為止，通過各種納米修飾策略在MES生產高附加值化學品中的潛力已經被廣泛探索。這些化學品根據碳鏈的長度，可以分為C1，C2，C3，C4產物等，它們在能源、化工和材料科學領域具有廣泛的應用前景，如表1所示。

2.1 C1產物

在MES實驗中， 通過納米材料修飾可以得到各種C1化學品， 包括甲烷（CH4）、甲酸（HCOOH）和

甲醇（CH3OH）。甲烷是生物電化學研究中報道最廣泛的產物之一，同時甲烷也是最簡單的有機化合物，是天然氣和沼氣的主要成分，不僅可以用作燃料，還可以用作生產氫氣的原料。在MES中，產甲烷菌能夠在外部電源的幫助下，通過直接種間電子傳遞（direct interspecies electron transfer，DIET）和間接種間電子傳遞（mediated interspecies electron transfer，MIET）兩個重要的途徑生成甲烷［50］，DIET過程的強化，可以進一步提升CH4的產生效率。近年來研究表明，導電材料可以通過加強DIET促進功能微生物富集或者增強電子傳遞效率，提高CH4產生率［51］。例如，碳氈［52-54］、石墨氈［55］、碳布［20］、石墨棒［56］、碳刷［57］、金屬鐵［58］和磁鐵礦［59］等。

甲酸作為一種重要的有機化工原料，可用于合成多種化學品和材料。在MES中，可以通過代謝工程改造電活性微生物，優化微生物的代謝途徑提高甲酸產量。例如S. oneidensis MR-1，可以過表達關鍵基因，如cctA，fdhA1和nadV，將甲酸產率提高到了野生型的5.59倍［60］。此外，也可以通過納米材料對電極的改性修飾提高電子傳遞效率，實現高效的甲酸生產［57，61-62］。如Qiu等［63］制備Sn改性碳氈，Sn的存在有利于陰極生物膜的生長，增加了微生物的積累。結果表明，Sn-CF組甲酸產量為（0.81±0.06）" g·L-1，而在CF中幾乎沒有檢測到甲酸的生產。Sn的存在顯著提高了甲酸的生成，并通過甲酸相關的代謝途徑顯著增強了電子轉移，從而提高了CO2在MES中的轉化。甲醇作為一種多功能的化學中間體，在制藥、農藥和燃料等領域有著廣泛的應用。對于目前在MES中的甲醇生產，關鍵在于優化微生物的代謝途徑［64-65］。

2.2 C2產物

用于MES的主要C2生物產品包括乙酸（CH3COOH）、乙醇（CH3CH2OH）、乙烯（C2H4）等。乙酸是MES過程中的一個關鍵C2化學品，本身作為有價值的化學品同時，也可以作為進一步產品生成的中間產物及許多工業生物過程（如廢水處理廠的脫氮）的碳底物［66］，具有許多潛在的可行用途。迄今為止，75%的MES研究報告了乙酸鹽的生產［67］。乙酸是產乙酸菌通過還原乙酰輔酶A途徑（又稱Wood-Ljungdahl途徑）還原CO2的產物［68］。在所有產乙酸微生物中，S. ovata是第一株用于MES生產乙酸的菌株，其乙酸產量較高［13］。此后，采用不同的納米材料對陰極改性用于增強乙酸的生成，例如碳基、金屬基納米材料等。

Jiang等［18］將MES與膜電解相結合，在采用粉末活性炭作為陰極的情況下，乙酸的產量提高了179%。這一結果也表明了MES與其他系統相結合，得以提高產量的可能性和可行性。二維結構的碳基材料雖然可以顯著提升單位面積電流密度，但對于單位體積產物的積累作用并不明顯。因此開發了許多3D碳基電極，使用三維大孔陰極，乙酸最高產量為（685±30） g·（m2·d）-1，遠超未改性碳基電極的產量［69］。此外可以通過化學官能團對碳基材料進行修飾，改性陰極通過在碳布電極表面接枝特定的官能團-COOH，可以顯著改善乙酸累積濃度［70］。除碳基納米材料外，金屬納米顆粒（NPs）也可以顯著增強乙酸生成。例如，Ni，Au和Pd三種金屬納米顆粒涂覆在碳布上，與未處理的碳布相比，加強了乙酸的生產［71］。此外研究發現，含有磁鐵礦納米顆粒的生物陰極可以催化微生物產氫，同時具有更高的氫演化性能。Cruz等［72］在石墨棒電極中添加了磁鐵礦納米顆粒，將乙酸鹽產量提高了8.5倍。乙烯是一種簡單的烯烴，是石油化工行業中非常重要的基礎化學品，工業上主要用于生產聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等塑料和合成材料。雖然目前尚未有相關文獻報道MES中生產乙烯，但目前已有研究討論了乙烯的生物合成途徑，例如在植物、藻類或微生物中，通過使用廉價和可再生的基質直接合成乙烯［73］。

2.3 C3產物

目前，通過納米材料改性促進C3化學品生產方面的研究并不多，是一種具有潛力的研究方向。已有研究表明，通過合成生物學手段優化或外源引入電子傳遞元件的生物合成路徑，能夠直接調控細胞電子傳遞路徑，提高產電微生物的胞外電子傳遞效率，并得到較好的產量。在MES中可生成的C3化學品，包括但不限于丙酮酸（CH3COCOOH）、丙酸（CH3CH2COOH）、異丙醇（（CH3）2CHOH）和乳酸（CH3CH（OH）COOH）。其中丙酮酸廣泛應用于食品、化妝品、制藥、農業和化工等行業，丙酮酸在糖酵解途徑中起關鍵作用，其衍生化學物質主要含有乙酸、丙酸、丙烯酸、3-羥基丙酸、乳酸和聚乳酸［74］。

近年來，包括大腸桿菌［75］、釀酒酵母［76］、光滑念珠菌［77］等菌株已成功設計用于生產丙酮酸［74］，基于原有CO2固定反應的新型代謝途徑改造，也非常具有科學研究和實用價值。Bouzon等［78-79］向高絲氨酸代謝途徑引入了外源的轉氨酶和醛縮酶，使之可以裂解成丙酮酸和甲醛，實現CO2固定的一種新的一碳代謝循環。在MES中以CO2為底物可生產的C3化學品的相關報道并不多，目前已經有關于異丙醇、乳酸的相關報道。異丙醇是一種無色、易揮發的液體，具有類似乙醇的氣味，常用作溶劑、消毒劑以及化學合成的原料。Arends等［73］首次報道異丙醇的生產，產量可以達到1.17 g·（m2·d）-1，同時異丙醇地穩定生產，為在MES中生產仲醇提供了可能性。乳酸作為一種重要的有機酸，在工業和日常生活中有著廣泛的應用。它是另一種可以通過MES生成的C3有機化合物，由CO2通過三羧酸循環還原的中間產物生成［80］。研究人員通過改造大腸桿菌的黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）合成途徑，提高了胞內FAD的水平，從而增加了大腸桿菌的電活性，把高電活性大腸桿菌運用到MES，發現有利于乳酸、乙醇等還原性產物的生成［81］。

2.4 C4及以上產物

迄今為止，乙酸一直是通過生物電化學系統轉化CO2的大部分產物。然而，由于市場價格低廉，從經濟角度來看，乙酸的生產并不是很有吸引力。鑒于此，研究人員逐漸嘗試通過微生物催化短鏈脂肪酸伸長為中鏈脂肪酸［82］。目前，MES在生產C4化合物方面已經取得了一些進展。根據已有的研究報道，可以生產丁酸（CH3（CH2）2COOH）、異丁酸（（CH3）2CHCOOH）、丁烷（CH3（CH2）2CH3）和丁醇（CH3（CH2）3OH）等。丁酸是一種工業原料，在制藥和化學工業中具有許多應用，可以通過酯化進一步轉化為燃料。Sharma等［83］通過-0.65 V的直接電子轉移，將乙酸和丁酸生物催化還原為生物醇和中鏈脂肪酸，生產的產品包括0.8 mmol·L-1甲醇，0.2 mmol·L-1乙醇，0.4 mmol·L-1丙醇，0.6 mmol·L-1丁醇和0.2 mmol·L-1丙酮，以及較低量的丙酸和己酸。Ganigue等［82］首次實現以CO2為唯一的碳源，通過MES生產丁酸，證明CO2還原為丁酸是由氫驅動的。此后大量研究證明，通過MES生產丁酸是可行的［84-86］。

通過研究發現，脂肪鏈的延伸與相關微生物的生長呈正相關，微生物生長條件也會影響微生物富集和最終產品［87］。因此，需要對陰極進行改性，以改善電極-微生物的電子傳遞，從而提高MES的生產率和選擇性。近年來，CoP，MoS2和鎳鉬合金改性陰極被用于選擇性生產C2和C4化合物［88］。Khurram等［89］用廉價的鎳鐵氧體（NiFe2O4@CF）提高導電性、電荷轉移效率，以及與選擇性微生物富集的微生物-電極相互作用等優點，實現丁酸鹽產量高于碳氈1.2倍。異丁酸是丁酸的異構體，Dayakar等［90］在石墨氈上引入創新的電極材料，鐵氧體銅負載GO，實現了異丁酸的生產率。丁烷、丁醇廣泛用于化學生產，時常作為次要產品伴隨乙酸、乙醇、丁酸等的生成［91］。

C4以上的中鏈脂肪酸在各個行業都有廣泛的應用，但傳統的生產方法成本高昂且不可持續。MES為鏈伸長提供了一個更具可擴展性、經濟性和環保性的平臺。該過程利用了Wood-Ljungdahl途徑，這是乙酰細菌采用的代謝途徑。其中CO2轉化為乙酰輔酶A，然后，乙酰輔酶A可以轉化為乙酸。作為合成長鏈脂肪酸的中間體，它可以合成高達C4的產品［92］。如戊酸（CH3（CH2）3COOH）［93］、己酸（CH3（CH2）4COOH）［86，94］、辛酸（CH3（CH2）6COOH）［95］，以及異戊醇（（CH3）2CHCH2CH2OH）［96］。這些中鏈脂肪酸中的大多數不是直接由CO2還原得到，而是來自一些簡單的CO2衍生產品［83，94-95］，如Wang等［95］在MES中以乙酸為碳源，無需添加外部介質即可產生包括己酸、丁酸和較小部分的辛酸的中鏈脂肪酸。Mohita等［83］開發硫酸鹽還原菌（SRB）的生物陰極可通過直接電子傳遞將乙酸和丁酸還原成醇類、丙酮和己酸。除了微生物鏈伸長外，通過工程技術編輯特定的代謝途徑在生成長鏈產物形成中發揮著重要作用，這是MES中的一個新興研究領域。

2.5 Cn化學品生成和微生物-電極修飾的未來發展趨勢

通過深入總結現有文獻和研究進展，可以發現盡管納米材料在MES中的應用展現出巨大潛力，尤其是在提高電子傳遞效率和增強微生物代謝活性方面。但目前直接利用納米材料改性修飾微生物電合成系統以生產特定化合物，尤其是高附加值的C3和C4產物，如丙酸、丁酸等的研究報道并不多。關于這類產物的合成，現階段研究人員通常需要通過合成生物學手段對微生物進行基因改造，包括增強關鍵代謝酶的活性、引入新的代謝途徑，或者通過基因編輯技術敲除或抑制某些基因的表達，從而改變微生物的代謝流向，增加目標產物選擇性。

然而，已有研究發現納米材料不僅可以充當電子穿梭體、改善電極或微生物的導電性提高EET的效率，納米材料還能影響EET中功能基因的表達水平。Jia等［97］首次研究了納米粒子（NPs）在有氧反硝化過程中介導的胞內/胞外電子傳遞（IET/EET）的機制。實驗證明，納米粒子可以通過提高Fe-S中心活性以及促進細胞色素的形成，加速電子傳遞。Jing等［98］在全細胞水平上闡明了OmcA和MtrC在S. oneidensis MR-1與石墨烯上，通過不同作用促進界面反應。此外，研究還表明，石墨烯復合材料可提高EET相關基因的表達水平。Yang等［49］研究發現碳點（CDs）可以被S. oneidensis MR-1有效吸收，增加細胞內電荷和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）水平、底物消耗，以及跨膜和細胞外電子轉移能力，從而加速細菌代謝，促進生物產電。

此外在MES中，中鏈脂肪酸常作為短鏈脂肪酸的副產物出現。但納米材料的選擇與產物碳鏈的長短有著密切的關系。特定的納米材料由于其獨特的物理化學特性，能夠針對性地影響微生物的代謝途徑和電子傳遞效率，從而促進特定長度碳鏈化合物的合成。在金屬和金屬氧化物納米材料中，如鐵氧化物（Fe3O4）納米粒子可能因其催化特性而更傾向于促進長鏈脂肪酸的生成［34］。納米材料的特定形貌和尺寸可以影響微生物的代謝途徑，從而影響碳鏈產物的合成。例如，納米線和納米花狀結構的MnO2可以促進CO2還原為乙酸和異丁酸［32］。這些研究表明，納米材料的引入為微生物電合成過程中的基因表達調控，以及實現對目標碳鏈長度產物的合成提供了新的策略。通過合成生物學手段對微生物進行基因改造，結合納米材料的獨特物理化學特性，可以更精確地調節微生物的代謝途徑，實現對目標碳鏈長度產物的合成，優化目標化合物的生產效率。這種策略不僅有助于提高MES系統的生產力，還為開發新的生物制造過程和環境修復技術提供了新的思路。

未來的研究需要進一步探索納米材料與微生物相互作用的分子機制，優化納米材料的生物相容性和功能性，并通過合成生物學進一步改造微生物，以實現更高效、更經濟、更綠色的MES過程。

3 總結與展望

文中首先對近幾年MES發展進行了總結，從電極材料和電活性微生物的修飾兩個方面闡述了提高MES系統的效率和產物選擇性的方法，并分析過程作用機制。其次，詳細闡述了通過各種納米修飾策略在MES生產C1，C2，C3和C4等高附加值化學品的進展，解釋了不同納米材料修飾對于產物選擇性的作用機制。

隨著MES不斷地發展和創新，其已成為應對氣候變化、加強清潔能源生產，以及推進生物技術和環境科學應用不可或缺的解決方案。然而，目前在微生物培養物、電極材料和生物產品的多樣化等方面仍有很大的上升空間，在提高產品產量和將CO2轉化為高價值產品的商業可行性方面也存在難題；其次，在生產中鏈脂肪酸方面仍存在一定的局限，在提高產品選擇性，以及尋找決定鏈伸長途徑的關鍵因素上還需要進一步探索。隨著新技術和新理念的發展，應用于CO2捕獲和轉化的MES應該變得更加完善和靈活。

因此，后續研究可以主要集中在以下幾個方面。

1） 開發新型納米材料，不僅可以提高電子傳遞效率、增強微生物與電極的附著力，還可以提高EET中功能基因的表達水平。

2） 深入研究微生物與電極材料之間的相互作用機制，以實現更高效的電子傳遞和更穩定的微生物電極界面。

3） 通過合成生物學手段，對微生物進行基因層面的改造，以增強其電子傳遞能力和代謝途徑的調控，從而提高MES系統的整體性能。

4） 探索出決定增長碳鏈途徑的關鍵因素，尋找更高效的增長碳鏈菌株的調控方法。

5） 隨著MES技術的成熟，未來的工作也需考慮開發適合工業化應用的放大策略，包括生物反應器設計、過程控制等方面。

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