Frontiers in Science Deep Dive （深潜系列） 是一系列由 Frontiers 主办的线上线下研讨会，汇聚诺贝尔奖

得主及众多知名科学家，共同推动以科学为主导的解决方案，以应对人类面临的重大挑战——涵盖气候变化逆转、

生物多样性保护以及健康与福祉提升等领域。每场活动都吸引着来自世界各地的顶尖研究人员、政策制定者与创新

者参与。诚邀您与知名研究学者及思想领袖共聚，探索与研讨应对当今时代重大挑战的突破性解决方案。

本期我们将为您带来 5 月 7 日“废水不“废”：新兴的微生物电化学技术如何重塑可持续的水、物质与能源循环”

研讨会的内容回顾。

全球每年产生的废水约为 3590 亿立方米，足以将太湖填满 80 次！

而目前，全球近一半的废水在未经处理的情况下直接排入环境，与此同时，全球废水每年所蕴含的化学能可超过

 80 万 GWh，相当于 100 座大型发电站的年发电量。而这部分潜力目前在很大程度上尚未得到开发。

废水中却蕴含着可观的化学能、氮磷营养物质和可再生水资源。在传统污水处理仍面临高能耗、高成本等挑战的

背景下，如何将废水从“治理负担”转化为“资源载体”，已成为水环境、能源与可持续发展领域共同关注的重

要议题。

最新发表于 Frontiers 旗舰刊 Frontiers in Science  的综述研究指出，新兴的微生物电化学技术（METs）有望

为这一问题提供新的解决路径。通过利用具有电化学活性的微生物，该技术可将有机废物流更高效地转化为电力、

燃料、肥料和可利用水资源，并在资源回收、分散式环境卫生和可持续基础设施建设方面展现出广阔前景。从实

验室研究到英国格拉斯顿伯里音乐节及非洲多地现场试验，METs 正逐步走向真实应用场景。完整原文可点此查看。

会议议程

1. 变废为宝——微生物电化学技术

2. 挑战与机遇的规模

3. 微生物电化学技术的类型

4. 试点案例

5. 专题讨论与问答环节

Part 1 开场与会议背景

主讲人：Ania Lichtarowicz (主持人，《地球某处：全球科技播客》（somewhere on Earth）节目的主持人

和编辑)

全球每年产生的废水足以填满日内瓦湖四次，其中一半未经处理直接排放，剩余部分也需高昂且低效的处理后

才能回用。

传统污水处理多把废水视为需要消耗能源去“清除”的污染物，但 METs 提供了另一种思路，即把废水看作一

种低价值但规模巨大的资源。该技术若能成熟，有望同时实现：

- 废水净化；

- 能源回收；

- 氮、磷等营养物回收；

- 可再利用水生产；

- 分散式卫生设施和欠发达地区基础设施支持。

不过，主持人也强调，本场讨论不仅关注科学潜力，还会讨论工程放大、监管、成本和多方协作等现实问题。

Part 2 METs 的生物学基础

主讲人：Prof. Uwe Schröder (Frontiers in Energy Research 期刊的现任主编，德国格赖夫斯瓦尔德大学教授)

Uwe Schröder 的第一部分报告从一个很直观的问题切入：人为什么吃饭、为什么呼吸？他用人体代谢解释微

生物电化学技术的基本原理。人和大多数好氧生物通过氧气作为终端电子受体，将食物中的化学能转化为生命

活动所需的能量。类似地，许多微生物也需要把代谢过程中产生的电子转移出去，才能维持生命活动。

关键区别在于，在无氧环境中，一些微生物不能使用氧气作为电子受体，于是演化出将电子传递到细胞外矿物、

腐殖质等外部受体的能力。这一过程被称为 胞外电子传递（extracellular electron transfer, EET）。METs 的

核心就是把自然环境中的矿物受体替换成电极，让微生物把电子“排放”到电极上。这样一来，微生物获得了

生存所需的代谢通路，人类则可以把这些电子收集为电流。

Uwe 特别强调，电活性微生物可以被视为“活的生物电催化剂”。与人工催化剂相比，它们具有一些独特优势：

- 能够自我生长和修复；

- 能够形成稳定生物膜；

- 能够处理复杂有机底物；

- 适合低浓度、低价值资源的转化；

- 可在废水这类复杂体系中发挥作用。

废水中的能量密度远低于汽油，例如一升汽油约含 8 千瓦时化学能，而一升普通废水可能只有约 2 瓦时。正因

为这种资源“低价值、低浓度”，传统技术很难经济地利用它，而 METs 的意义正在于有可能处理这类被忽视的

大规模资源。METs 的价值不能只用“发多少电”衡量，而应放在更广泛的资源回收和系统节能框架中理解。

Part 3 废水的规模与资源潜力

主讲人：Prof. Elizabeth Heidrich (英国纽卡斯尔大学教授，微生物电化学领域的领军研究者)

Heidrich 博士从全球尺度量化了废水问题。每人每天产生约 120–150 升废水，全球每年总量达 3.59×10¹¹ 

立方米，其中约 60% 被收集，仅一半得到处理，而真正回用的比例只有 11%（主要是水的回用）。废水不仅

包括厕所排水，还包括洗涤水、雨水径流、工业与农业废水等。她形象地指出：对我们人类而言的废物，对细

菌而言却是“美味的汉堡”——废水中的有机物相当于细菌的卡路里。每立方米典型生活废水约含 2.2 千瓦时

能量（足以驱动电暖器一小时），全球若能全部回收，约相当于 100 座发电厂的输出。更重要的是，当前好氧

处理工艺需要大量曝气供氧，其能耗约为废水中所含能量的四分之一——若改用 METs，可节省这部分能耗，

相当于 22 座发电厂。完整原文可点此查看。

此外，废水还含有宝贵的氮和磷：全球废水中的氮可满足当前氨需求量的 11%，磷可满足 7%。她总结道：人类

与自然水循环的互动至今是线性的（取水→处理→使用→污染→排放），而 METs 有望推动向循环模式的转变

——同时回收水、能量和营养物质。

Part 4 MET 的两种核心技术路径 

主讲人：Prof. Falk Harnisch (德国亥姆霍兹环境研究中心，微生物生物电催化与生物电技术领域的专家)

Harnisch 详细讲解了两种主要 MET 构型：

微生物燃料电池（MFC）：废水进入无氧阳极室，产电微生物氧化有机物生成 CO₂，并将电子传递至阳极。

电子经外电路流向阴极，阴极室通入氧气发生氧还原反应（ORR）生成水。这一过程中可采集部分电能。

同时，为了保持电荷平衡，阳离子（如铵根）需从阳极室迁移至阴极室。

微生物电解池（MEC）：阳极侧与 MFC 几乎相同，但阴极发生的是质子还原为氢气（或 CO₂ 还原为甲烷），

且需要额外输入少量电能驱动反应。与常规水电解相比，MEC 每生成一摩尔氢气的能耗低约 4 倍。

他还特别介绍了 METs 在氮回收的创新途径：当处理高铵废水时，阳极产生的质子使阳极室 pH 降低，而阴

极消耗质子使 pH 升高（可超过 10）。在高 pH 条件下，铵离子（NH₄⁺）转化为氨气（NH₃），氨气容易

从液相中脱除（如膜汽提），从而实现氮的资源化回收。这一过程直接与现有废水处理工艺衔接。

因此，METs 可被理解为一类多功能平台，而不是单一发电装置。它们可以用于：

有机污染物降解；

电流或能源回收；

氢气、甲烷等产物生成；

氮、磷等营养物浓缩与回收；

与现有污水处理技术耦合。

Part 5 规模化、示范项目与商业探索

参与人：Dr. Deepak Pant (比利时弗拉芒技术研究院,研究聚焦于推进可持续的生物电化学系统) 

Pant 博士回顾了 METs 从实验室走向现场示范的历程。早在 2007–2008 年，澳大利亚就建成了 1000 升

的管式 MFC 示范系统（12 个模块），技术成熟度达到 TRL 7。此后中国哈尔滨工业大学开发了 10 立方米

堆叠式反应器（处理矿山尾矿水），美国宾州州立大学等机构则试制了平方米级气体扩散电极，并在真实人

尿中连续运行超过六个月。

他强调，METs 的研究从 2000 年左右开始快速发展，几年后就出现了真实场景中的试点装置，这显示了该

领域的工程雄心。但放大并不简单。实验室中的小型电池表现并不能线性复制到大型系统中。反应器、膜、

电极、电导率、材料成本、运行稳定性和维护方式都会成为瓶颈。

他还列举了多个商业尝试：

Cambrian Innovation（美国）销售集装箱式 MET 系统，用于酿酒、食品工业废水处理，BOD 去除率 >85%；

EMFCY（以色列/中国）开发了“电生物反应器”；

Plant-e（荷兰）利用植物根系产电，为 LED 灯和远程传感器供电；

以及 Pant 所在机构 VITO 在印度和越南部署的 MET-厌氧消化耦合系统，处理大型食堂废水;

最具社会影响力的示范之一是南非德班的“尿发电”装置：利用人尿液为偏远村庄的厕所照明提供电力。

Pant 强调，METs 的价值不仅在于产电，还可作为传感器、与厌氧消化耦合、用于污泥调理等。他总结道：

METs 应作为现有处理链的补充（预处理或后处理），而非完全替代。

Part 6 务实观点与技术经济挑战

参与人：Prof. Bruce Rittmann (美国亚利桑那州立大学环境工程学科校董讲席教授，也是环境生物技术领

域的开创者之一)   

Rittmann 教授发表了非常务实的观点。他指出 METs 系统复杂——需要电极、膜、电路、控制系统等，

造价不菲。要使市场接受，必须做到成本效益优化。完整原文可点此查看。

他提出三条路径：

① 利用电子生产比电力价值更高的产品（如氢气、过氧化氢、有机物）；

② 处理高浓度有机废水（如畜牧、食品加工废水），获得更高的单位投资回报；

③ 与现有基础设施协同（如与厌氧消化池耦合，提高产甲烷效率）。

他明确表示，不看好 METs 直接处理低浓度生活污水的前景，建议研究重点转向处理高浓度侧流或强化

现有工艺。换句话说，METs 的近端机会在于“补强”和“增值”，而不是立刻颠覆传统污水处理体系。

Part 7 问答与讨论要点

在问答环节，专家们回应了多个关键问题：

- 胞外电子传递对微生物寿命的影响：Harnisch 指出，现有活死染色法对产电菌可能产生假阳性/假阴性，

因为膜电位变化会影响染色结果。整体上，MET 系统污泥产量较低，因为大部分化学能转化为电能而非

生物量。

- 微生物群落调控：Rittmann 强调阳极电位是有效的调控“旋钮”——电位负值足够才能给细菌提供生

长能量，但过负会导致大量生物量积累（变成活性污泥）。控制电位可优化产电菌在生物膜中的优势地位，

而发酵菌则倾向于膜外侧，受脱附作用影响。

- 回收产物的安全性（如鸟粪石、铵盐用于农业）：Harnisch 指出，气相转移（氨）的交叉污染风险低于

沉淀物（鸟粪石），但药物代谢物等微量污染物仍可能附着。目前尚无从 MET 到农田的完整安全认证路径，

但已有植物生长试验显示可行性。

- 在难民营的应用：Heidrich 认为 MET 技术过于复杂，不适合高风险、简易性要求极高的紧急环境，应优

先使用简单可靠的技术。

- 规模化瓶颈：Schröder 指出根本矛盾在于电化学要求电极间距小（降低欧姆损耗），而大流量处理需要大

尺寸反应器。解决方案不是简单地“放大”，而是“倍增”（堆叠小单元）。早期示范中长电极的高欧姆电阻

是失败教训，需要廉价且高导电性的新材料。

- 商业化的技术经济指标：Heidrich 提出单位土地面积的处理速率是关键指标——城市化地区土地昂贵，而

若土地充足，简易塘或氧化塘更为经济。Uwe 补充，外部经济因素（如磷价飙升、能源价上涨）可能突然使 

MET 技术变得有竞争力，因此必须保持技术储备。

- 在印度的投资回报问题：Pant 建议寻找细分利基市场，如离网、高浓度有机废物的独立处理场景，MET 可

作为处理链中的一环。真正的商业化标志是公司开始通过产品或服务盈利。

- 低成本无线传感器：Harnisch 展望了更广阔的视野——产电微生物存在于肠道、皮肤等环境，未来可能用

于可穿戴健康监测甚至生物基计算（逻辑门、电路板），这可能开辟完全不同的市场。完整原文可点此查看。

关于 Frontiers in Science

Frontiers in Science 是 Frontiers 最新全力打造的一本旗舰期刊，于 2023 年 2 月 28 日正式发布。期刊以

邀请制的方式发表经同行评审的、具有杰出影响力学者的最新变革性研究，已汇聚全球 90 多个国家的科研力

量。期刊致力于推动跨学科、具有政策影响力的前沿科学研究以实现“健康星球上的愉悦生活”目标 ，目前

已发表的文章累计阅读超 380 万次。

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