近日，西南大学李长明教授课题组在Electrochemical Energy Reviews期刊发表了题为“Boosting Microbial Electrocatalytic Kinetics for High Power Density: Insights into Synthetic Biology and Advanced Nanoscience”的综述论文，系统阐述了微生物电催化动力学的关键科学问题以及合成生物学和纳米结构电极材料强化微生物电催化过程的研究进展和发展方向。

文章发表于Electrochemical Energy Reviews期刊2018年第1卷第4期，详情请阅读全文，可免费获取。本文也在微信(ElectrochemicalEnergyReviews)、微博(ElectrochemicalEnergyReviews)、科学网博客（EEReditor）、Facebook等新媒体平台推出，请大家多关注和阅读。更可以关注EER Springer主页（https://www.springer.com/chemistry/electrochemistry/journal/41918）和上海大学期刊社网站EER主页（http://www.eer.shu.edu.cn）获取第一手的电化学评论资讯。

文章题目：Boosting Microbial Electrocatalytic Kinetics for High Power Density: Insights into Synthetic Biology and Advanced Nanoscience

作者：Long Zou, · Yan Qiao* · Chang Ming Li *

关键词：微生物电催化，细胞外电子转移，合成生物学，纳米结构材料，可持续绿色能源

引用信息：Zou, L., Qiao, Y. & Li, C.M. Electrochem. Energ. Rev. (2018). https://doi.org/10.1007/s41918-018-0020-1

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本综述亮点

1．在总结和分析微生物与电极间电子传递机理的基础上，剖析了微生物电催化反应动力学的关键限制因素，强调了基于内源性电子介体的电子传递过程对提高微生物电催化反应速率的重要作用；

2．总结了合成生物学定向改造微生物提高胞外电子传递过程的策略和研究现状；

3．归纳和分析了纳米结构电极材料在增强界面生物电催化反应中的进展，分析了电极材料孔结构效应和表面修饰的增强机理；

4．评述了微生物电催化体系的发展所面临的主要瓶颈以及展望了未来发展的重要方向。

图片摘要

前言

近年来，微生物电化学技术（包括微生物燃料电池、微生物电解池和微生物电合成等）利用微生物作为催化剂，实现清洁能源生产和有机废物/环境污染物处理，已受到能源、环境等领域科学家和工程技术研发人员的高度关注，成为最有前途的可再生能源和环境清洁的重要转换体系之一。

微生物细胞与电极间电子传递过程的生物电催化过程对微生物电化学体系的行为有重要影响，其较慢的反应动力学限制了微生物电化学器件的性能及其实际应用。微生物燃料电池的功率密度比传统燃料电池低1~2个数量级。因此，分析微生物电催化反应的限制性因素、提高微生物与电极间电子传递速率是当前微生物电化学体系研究的重要课题，对基础理论和相关技术的发展和应用具有十分重要的意义。

图 1  三种常见的微生物电化学技术：(a) 微生物燃料电池，(b) 微生物电解池，(c) 微生物电合成

内容简介

本文首先介绍了微生物电催化反应的基本原理，特别是微生物胞外电子传递的多种机制，解释了能量转换效率和电子传递速率间的差别；总结了合成生物学定向改造微生物提高胞外电子传递过程的思路和研究现状；归纳了纳米结构电极材料在增强电极界面微生物电催化反应速率的进展，着重分析了电极材料孔结构效应和表面修饰的增强机理；最后，针对现阶段存在的瓶颈，就微生物电化学体系的今后研究方向进行了展望。

一、微生物电催化反应基本原理

微生物电催化是以电活性微生物胞外电子传递为纽带，将微生物胞内代谢与电极催化耦合的一个复杂过程，它同时涉及微生物细胞催化和电极电催化两个反应步骤。高效的微生物电催化反应动力学，既需要较强的微生物代谢催化能力，同时也要能有快速的细胞与电极界面转移产生的电子的能力。微生物胞外电子传递途径主要分为细胞膜色素蛋白或细菌纳米线介导的直接电子传递和依赖电子介体穿梭的间接电子传递两种。相比较而言，直接电子传递途径具有较高的能量转换效率，但其只有在细胞膜蛋白氧化还原中心与电极靠得足够近的情况下才会发生，而实际情况下能发生这种直接电子传递的活性中心是有限的，因此仅仅依赖直接电子传递方式很难实现高密度的电子流，导致高比功率的细菌生物电化学系统。电极微生物膜分泌的内源电子介体可被电极和电活性微生物原位利用，高浓度的电子介体可提供高密度的电子流；如果电子介体在电活性微生物细胞与电极间的穿梭距离小于电化学反应扩散厚度，其所介导的胞外电子传递可被视为不受扩散控制的“直接电化学”过程，同样具有较高的能量转换效率。因此，在实际微生物电极催化反应中，内源分泌的电子介体所介导的电子传递过程往往具有重要的作用。

图 2  微生物阳极胞外电子传递机制示意图

二、合成生物学定向改造微生物提高生物电催化过程

电活性微生物是微生物电催化反应的关键组分，它直接决定了底物代谢/产物合成、能量转换、胞外电子传递途径、电极生物膜形成等多方面。随着对电活性微生物遗传背景的深入了解以及各种基因编辑工具的不断开发，采用合成生物学策略设计和改造电活性微生物从而提高微生物电催化能力成为研究热点。本节总结了近年来合成生物学手段在改造或重塑直接胞外电子传递通路、提高内源电子介体生物合成或分泌能力、调控胞内代谢途径和强化电极生物膜形成能力等方面的研究进展，并对各调控策略的优缺点进行了探讨分析。

三、纳米电极结构及表面化学修饰增强微生物电催化动力学过程

微生物电化学体系中，电极不仅是电活性微生物依附生长的场所，也是通过界面电子交换影响电活性微生物细胞的代谢行为，因此其结构和表面化学对微生物电催化反应动力学过程有重要影响。本节归纳了几种构筑大孔结构电极提高微生物催化剂载量的方法，包括自组装法、自下而上生长法和碳化生物材料的方法；剖析了纳米级孔结构增强电极电催化作用的机制；总结了影响微生物电催化行为的电极表面化学性质，并评述了氧化还原活性物质、导电聚合物和纳米金属化合物功能化电极界面对微生物电催化的影响。作者认为，高效的微生物电极应该是兼具可供微生物细胞植入生长的大孔和丰富的纳米孔的复合多孔电极，电极表面的化学修饰应当根据特定电活性微生物和特定电催化反应类型进行调控。

总结与展望

鉴于当今世界对可再生能源需求的不断增加和环境污染问题的日益突出，微生物电化学技术必定将具有非常大的发展前景。如何改进微生物电催化反应动力学过程是今后研究的重点课题。制备高效微生物催化剂，需要综合利用生物信息学、系统生物学、组学技术和各种原位分析技术，深入挖掘微生物胞外电子传递机理；进而采用合成生物学的策略，依靠不断发展的基因编辑技术，对微生物进行系统的、定向的改造，从而调控其胞内途径和胞外电子传递能力。同时，开发廉价、有层次的三维复合并优化孔结构电极并进行合理的表面化学调控，对于提高微生物电催化反应动力学和加速微生物电化学技术的应用至关重要。

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