编辑推荐︱电发酵技术强化有机废物资源化的原理及应用

随着人类生活水平的快速提高、经济的迅猛发展以及城市化进程的持续加快，全球有机废物量显著提升。据统计，2020年全球固体废物产量为22.4亿吨/年，预计2050年将达到38.8亿吨/年。传统处理有机废物的工艺主要有填埋、堆肥和焚烧等，而这些方法处理条件要求高，处理不当会造成新的环境问题。有机废物富含有机质，利用有机废物生成生物燃料和化学品，可以同时实现废物处置和资源能源生成的双重效益。

厌氧发酵（Anaerobic fermentation）技术是有机废物资源化的一种有效生物手段。厌氧发酵过程中，有机废物中的有机质经过多种微生物的代谢反应，将有机物转化为挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFAs）、氢气和甲烷等具有附加值的物质。厌氧发酵具有反应条件温和、成本低和易操作等优点。因此，有机废物的厌氧发酵在可再生资源的发展中起着重要作用。然而，利用厌氧发酵技术实现有机废物的资源化还存在问题，如发酵产物生成效率低、产物选择性差和有机废物利用率低等。为提升厌氧发酵的反应效果，已有研究从底物处理、微生物驯化、反应条件优化等方面进行了大量探索，取得了一定的效果。近年来的研究发现，电子传递在微生物厌氧代谢过程中起关键作用，通过调控反应体系的电子传递可以有效地提升发酵反应效果。

2010年，Rabaey与Rozendal首次提出了电发酵技术概念（Electric fermentation），它是将厌氧发酵技术与生物电化学系统（Bio-electrochemical system, BES）的有机结合，即：在反应器中放置电极作为长距离电子传递的电子桥，通过电极提供介导来促进或调节微生物代谢反应的过程，提高产品转化率和转化效率。Park等的研究表明，在厌氧发酵技术中施加微电压可以加速生物氧化过程，促进甲烷的生成。Selembo等采用甘油发酵产氢，发现电发酵得到的氢气产量较传统厌氧发酵提高了56%。Mathew等向酿酒酵母培养体系施加电压，发现乙醇产量相较传统厌氧发酵提高了14%，生成效率提升了2~3倍。此外，还有研究通过电发酵技术强化了微生物对丁醇、1，3-丙二醇、VFAs、中链脂肪酸（Medium-chain fatty acids，MCFAs）等的合成。电发酵减轻厌氧发酵过程的热力学阻碍，为实现有机废物的高效资源化提供了新方向，受到了国内外学者的广泛关注。

本文综述了生物电发酵技术在有机废物资源化中的应用。首先，从反应原理、电极材料、微生物和反应器结构四个方面对电发酵技术进行全面的介绍；其次，从运行条件、添加剂和生物强化三方面详细介绍提升电发酵运行效果的方法；进一步介绍了电发酵在不同生物化学品生成中的应用，包括甲烷、氢气、醇、VFAs、MCFAs、聚羟基烷酸脂（Polyhydroxyalkanoates，PHA）及聚羟基丁酸酯（Polyhydroxybutyrate, PHB）等高值化学品；最后，对电发酵技术的发展和应用进行了总结和展望，旨在为电发酵的进一步研究和应用提供参考和建议。

在电发酵体系中，通过电极的一对强电子源可以显著改变相关微生物的胞外电子传递过程，从而影响微生物的代谢和微生物种群之间的相互作用，进而影响微生物生成目标产物的能力。当目标产物以氧化产物为主时，阳极作为工作电极来耗散多余的电子，被称为阳极电发酵（Anodic electro-fermentation）。相反，在阴极电发酵（Cathodic electro-fermentation）中，阴极作为工作电极，通过向微生物发酵提供电子，促进还原产物的形成。此外，电流通过改变NADH/NAD+的平衡来调节整个生物反应，从而影响最终产物的生成。无论是阳极电发酵还是阴极电发酵，电流的作用是一致的，即在氧化还原不平衡条件下激发并维持微生物发酵过程的进行，即便是很小的电流密度，也会影响胞外和胞内的氧化还原电位、调控NADH/NAD+的动态平衡，进而改变发酵产物的生成。

当目标产物为还原性物质如氢气、丁酸、丁醇、MCFAs等，可采用阴极电发酵技术。阴极电发酵体系的强化机理如图1所示。

图1 阴极电发酵的潜在机制：（a）强化电子传递，（b）氧化还原电位调控，（c）互营协作（黄色为微生物，橙色为电活性微生物，MedOx为氧化介质，MedRed为还原介质）

（1）强化电子传递：在阴极电发酵中，阴极充当外源的电子供体，通过直接接触或者电子介体将电子传递至微生物胞内直接用于NADH的再生，更多的电子传递促进还原产物的生成（如图1a）。Nevin等证明，在阴极电发酵中，Sporomusa ovata能够直接接受来自电极的电子还原CO2生成乙酸；（2）氧化还原电位调控：阴极供应的电子可以影响微生物胞内的NADH和NADH/NAD+水平（如图1b），进而调控微生物发酵过程中产物的生成。相比阴极直接供应电子，氧化还原电位调控的阴极电发酵对电子的需求量更低，通常为还原产物所需的1%以下。例如，在阴极电发酵强化微生物发酵甘油产1,3-丙二醇的研究中，阴极仅为发酵底物提供了0.23 mmol电子，1,3-丙二醇的产量提高了1.5倍；（3）微生物的互营协作：如图1c，对于混合菌群发酵过程，阴极电发酵可通过富集特定功能的微生物、改善微生物间的代谢协作，加快底物的利用，提高目标产物的产量和产率，减少副产物的形成。在水稻秸秆发酵产丁酸的过程中，阴极电发酵使混合微生物中丁酸发酵微生物Clostridium cluster Ⅳ的相对丰度比开路对照组增加31.34%，与Bacteroides协作，阴极电发酵丁酸的产量达到5.54 g/L，比开路体系提高了17.37%。

阳极电发酵的性能是通过阳极作为最终电子受体来驱动的。与阴极电发酵类似，阳极电发酵主要存在三种强化机理（图2）。（1）强化电子传递：底物直接转化为产物，阳极作为电子的主要接收者，如图2a，过量的电子通过胞外电子传递机制在阳极上完全耗散。Flynn等将S. oneidensis接种到处于氧化电位的电极腔室中发酵甘油，观察到阳极出现电流通量并伴随甘油消耗，结果表明78%的碳通量直接转化为乙醇并释放出电子，这表明甘油这种生物转化是依赖于电子直接传递到氧化电极上实现的；（2）氧化还原电位调控：如图2b所示，通过氧化还原电位调控细胞内氧化还原稳态（NADH/NAD+），进而实现细胞功能代谢，如基因表达和酶的合成、调控产物种类、减少副产物生成、多余的电子逸散到阳极等。Kim等在甘油产3-羟基丙酸的研究中，通过控制Klebsiella pneumoniae L17细胞内部的氧化还原态来提高3-羟基丙酸的生成。结果表明，当Klebsiella pneumoniae L17在施加电位的条件下生长时，细胞内NADH/NAD+比例显著降低，与没有施加电位的对照组相比，3-羟基丙酸产量提高了7倍；（3）微生物的互营协作：如图2c，发酵菌氧化底物后生成的电子无法直接传递到阴极，电活性微生物充当发酵微生物和阳极之间的中介物实现种间电子传递，消耗底物发酵的副产物，更多的电子有利于整个发酵过程。在甘油发酵产乙醇的过程中，阳极电发酵由电化学活性菌Geobacter sulfurreducens和发酵菌Clostridium cellobioparum的协同代谢驱动，促使甘油消耗量（高达50 g/L）和乙醇产量（高达10 g/L）的增加。

图2 阳极电发酵的潜在机制：（a）强化电子传递，（b）氧化还原电位调控，（c）互营协作（黄色为微生物，橙色为电活性微生物，MedOx为氧化介质，MedRed为还原介质）

1.3 胞外电子传递

根据阳极与阴极电发酵的原理，可以看出，细胞外电子传递（Extracellular electron transfer, EET）机制包括微生物之间的电子传递过程以及微生物与电极之间的电子传递过程。两种电子传递过程都包括直接电子传递（Direct electron transfer, DET）与间接电子传递（Indirect electron transfer, IET）两种主要的电子传递途径。

如表1，微生物之间的直接电子传递主要包括直接接触途径和纳米线途径；间接电子传递主要有电子穿梭途径和导电材料介导途径。

表1 微生物之间的细胞外电子传递途径

如图3所示，目前认为微生物与电极之间同时存在直接电子传递和间接电子传递作用。（1）直接电子传递主要表现为由微生物直接与固体电极接触（图3a）或由微生物纳米导线介导完成电子传递（图3b）。Geobacter生物膜可以直接从固体石墨电极接收电子，将硝酸盐还原为亚硝酸盐。Shewanella oneidensis MR-1和G. sulfurreducens能够利用其细胞外部高导电性的菌毛或纳米线来实现微生物与电极表面之间的直接电子传递；（2）间接电子传递是利用人为加入的电子介体（如铁氧化物、活性炭、导电性生物炭和微量元素等）（图3c）或微生物生成的初级代谢产物（如H2、甲酸等）（图3d）介导电子传递。例如，Deutzmann等报道了M. maripaludis在阴极分别分泌氢化酶和甲酸脱氢酶，催化H2和甲酸的生成。这两种低分子量的产物都可充当电发酵体系的电子供体，支持M. maripaludis与阴极的间接电子传递。Cai等通过向电极施加外部电压将电子传递到土壤中，并首次证明了在大型土壤基质中实现基于外源电子介质（生物炭）的长程电子传递的可能性，这为进一步促进土壤中的电子传递提供了思路。

2 电发酵中采用的电极材料

作为微生物的电子供体（阴极）和电子受体（阳极），电极材料的选择对电发酵反应以及目标产物的生成起着至关重要的作用。为了能提高电发酵体系产物的选择性和体系整体的电流效率，通常认为电极材料应具有生物相容性、高电导率、大的比表面积、化学稳定性和低成本等特性。常见的电极材料有碳基材料、金属基材料和复合材料等。

碳基电极具有良好的耐腐蚀性、低成本和生物相容性等优点，是电发酵中最常用的电极材料。多孔碳基电极能增加微生物附着的比表面积，从而增强电流密度。常用的碳基电极有石墨、碳棒、碳块、碳布、碳毡、活性炭等。自2010年Nevin等使用石墨阴极成功还原了CO2以来，研究者们发现碳基材料良好的导电性和稳定性对微生物电发酵体系有着积极的影响，更多的碳基材料被应用于电发酵系统。

石墨、碳布和碳毡是电发酵体系中最常用的电极材料。例如，在电发酵产甲烷过程中，导电石墨电极的引入使产甲烷产量提高了54.3%。通过在碳布上构建Thermotoga neapolitana电活性生物膜，可以有效促进乳酸和氢气的生成。碳毡引入电发酵中作为阴极能提高水稻秸秆丁酸的产量，相比开路对照组，电发酵丁酸的产量提高了28.13%。

此外，碳纳米管和石墨烯等新兴碳材料也被用于碳基电极的改性和强化。例如，利用碳纳米管独特的导电和多孔结构，研究人员用碳纳米管在碳纸、碳布和石墨电极等表面构筑多孔的电极结构，发现碳纳米管网络结构可以充分地强化电极和细胞色素c之间的电子传递，并加强微生物在表面的附着。崔屹等设计并通过利用碳纳米管进行界面修饰的方法制备了三维微孔电极；碳纳米管为微生物的附着提供了更多的活性位点，并加快了电子从电化学活性微生物向阳极传递。石墨烯具有良好的导电性和高的比表面积。研究人员在碳布阳极表面上通过沉积方式构筑复合的网状电极结构，以此促进微生物在电极表面的生长。通过电化学剥离的方法可以在石墨电极表面原位形成石墨烯结构，附着了石墨烯结构的电极与普通石墨电极相比，电子传递的内阻降低为三分之一，促进了微生物燃料电池中更多电流的生成。

虽然碳基电极在电发酵体系中具有广泛的应用，但不同的碳基电极都还存在缺陷有待突破。例如，石墨烯表面光滑，不利于电化学活性菌的黏附；碳毡电极体系中物质的扩散和传质效率还有待进一步提升，碳布的机械强度低、可塑性差等。因此，有必要开发兼具优秀的电化学特性和可塑性的电极材料，以提升电发酵体系的反应效率。

2.2 金属基材料

除了碳基材料，高导电性的金属材料（如不锈钢、镍、铁和铜等）也被用于构建电发酵体系中的电极。其中，不锈钢因其高导电性、低成本和巨大的扩增潜力，可以有效地解决大规模应用电极的选择问题，是最有前途的电极材料。不锈钢电极被证明在电发酵处理实际废水方面极具应用潜力。Xie等在有机废水生物制氢的研究中比较了不同的电极材料，包括碳电极、不锈钢网电极和Cu/Ni棒电极，发现不锈钢网较大的比表面积有效促进了有机物降解过程中的电子传递，降低了电发酵系统的内阻。这些电极的配置有效地增加了电极的比表面积，为电化学活性细菌的富集提供了有利环境。此外，不锈钢纤维毡是一种市售且价格低廉的3D多孔材料，具有良好的导电性、高比表面积和柔韧性等特点，已被用作高效的阴极材料。使用不锈钢纤维毡阴极的微生物电解池与使用Pt/C阴极的微生物电解池的性能相当。

镍（Ni）以及不同形式的镍合金（NiMo、NiW、NiFeMo、NiFe、NiFeP、NiFeCoP和NiCr）也被广泛用作微生物电解槽的阴极材料。这是由于Ni基电极具有较低的起始电位（-84 mV）、较低的过电位（140~250 mV）、较小的电子传递电阻以及较高的电流密度（10~20 mA·cm^-2）。Bachvarov等研究了NiFeCo和NiFeCoP合金作为微生物电解槽中的阴极，发现镍合金中Fe和Co的存在显著降低了析氢反应的过电位，并且与纯Ni电极相比，电子传递内阻降低为原来的约1/1000。Cai等使用简单的水热法制造了自组装的3D NiFe石墨烯阴极，获得了更好的电化学活性和有效的电子传递。

与不锈钢和镍基电极类似，延展性金属Cu也具有良好的导热性和导电性。因此，铜也被选为微生物电解槽的阴极材料，以探索在实际工业废水中的可行性。除此之外，硫化钼（MoSX）是用于析氢反应的有前途的材料，具有优异的化学稳定性，并且价格低廉。硫化钼可以详细描述为含有Mo⁴⁺的阳离子和硫化物（S^2-）以及二硫化物阴离子的离子化合物。对于硫化钼，Kokko等的研究表明氢原子很容易与MoSX层边缘的硫阴离子结合，有助于提高微生物电解槽的析氢速率。

金属基电极日益发展成为电发酵体系中的常用电极。虽然金属基电极材料具有优秀的电化学特性，但大多数金属电极在反应条件下会发生腐蚀和钝化，且其生物相容性远低于碳基电极，限制了其在电发酵体系中的应用。

2.3 复合基材料

为了得到电子传递效率高、生物相容性好、成本低且电化学特性优秀的电极，改性复合电极的制备成为电发酵领域的研究热点。改性复合电极主要包括导电聚合物复合碳基材料、金属/金属氧化物改性碳基材料和碳材料改性金属基材料等。例如，Wang等通过电化学聚合法成功合成了聚苯胺改性的碳毡作为电发酵的阳极，与未改性的碳毡相比，使体系内阻从358 Ω降低至156 Ω。Chen 等通过化学气相沉积法将碳纳米纤维（CNFs）直接生长在不锈钢（SSM）上，制备出CNFs-SSM复合电极。其中不锈钢作为导电网络，确保了电子和质子的高效传递，碳纳米纤维为微生物附着提供场所。实验结果表明，在相同的实验条件下，CNFs-SSM电极生成的电流是不锈钢电极对照组的200倍，这为制备高性能、低成本的电发酵体系电极材料提供了一种简单而极具应用潜力的新方法。一种新型的分层多孔硅/氮掺杂碳的复合材料（Si/N-PC），利用廉价的小麦粉进行简单的生物质发酵制备，并将该复合材料用作阳极。结果表明，N掺杂的分层多孔结构有助于减缓体积变化，确保电极稳定性，提高Si/N-PC复合电极的电导率。与传统的碳纳米管阳极相比，氮掺杂的碳纳米管电极在碳纳米管表面生成了亲水缺陷，促进了细胞膜上蛋白质的电子传递，提高了电发酵体系的性能。Yellappa等使用聚苯胺/碳纳米管（PANi/CNT）的复合电极处理城市的渗滤液，发现改性的电极表现出更高的氧化还原峰值电流、更低的电子传递电阻和欧姆损耗，提高了电极和生物之间的生物电活性和电子传递能力。

3 电发酵体系中的微生物

微生物细胞一般都是非导电性的，因为它们的细胞膜上都含有非导电性物质，如多糖、脂类以及肽聚糖等。而电发酵中有一类重要的菌群，称为电化学活性菌（Electrochemically active bacteria，EAB）。在电发酵体系中，电化学活性菌可以通过胞外电子传递和胞内电子传递完成反应，实现目标污染物的降解和目标产物的生成。如前文所述，胞外电子传递机制主要包括两种：一是利用细胞色素c和“纳米导线”进行直接电子传递；二是利用内源或外源电子传递介质进行间接电子传递。此外，与胞外电子传递相对应的是胞内电子传递，即电子受体（氧气、硝酸盐等）通过底物扩散的方式进入细胞内部，接收来自底物氧化反应中生成的电子，进而被还原。

已有多种微生物被证明具有电化学活性，包括细菌（例如Geobacter）、古菌（例如Ferroplasma）和真菌（例如Saccharomyces）等。在电发酵体系中，电化学活性菌的应用最为广泛。电化学活性菌在门类的分布中非常广泛，如变形菌门（Protebacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、酸杆菌门（Acidobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）等。现阶段被分离和证实的电化学活性菌主要有Geobacteraceae属、Shewanellaceae属、Petococcaceae属和Desulfobulbaceae属等。

Geobacteraceae属为革兰氏阴性微生物，形态为短杆（0.5 μm×（1.2~1.5）μm）状，严格厌氧，适宜生长温度为30~35 ℃。作为最常见的电化学活性菌，Geobacteraceae属具有多种电子传递的形式，不仅可利用硝酸盐、富马酸盐和含氯化合物等可溶性电子受体进行胞内电子传递，还可利用铁（锰）氧化物、电极、腐殖质等不可溶性电子受体实现胞外电子传递。其中，铁（锰）呼吸是Geobacteraceae最典型的胞外电子传递形式。在该过程中，Geobacteraceae氧化有机物释放电子，电子通过胞外电子传递链传递到胞外并最终用于胞外铁氧化物的还原。研究表明，该电子传递链由导电纳米线及细胞色素c组成。在微生物燃料电池里，Geobacteraceae可以利用人工电极作为胞外电子受体。Geobacteraceae电子传递形式的多样性决定了其分布的广泛性。目前已在土壤、地下水、活性污泥、海洋和河口沉积物等多种环境中发现Geobacteraceae的存在。

Shewanellaceae属为革兰氏阴性微生物，呈直或弯杆状、有鞭毛，严格厌氧，适宜在温度为10~36 ℃、pH值为6~9条件下生长。Shewanellaceae可以通过氧化有机物释放电子，经过细胞质膜上的醌池传递至含铁蛋白细胞色素A，再经分布于周质空间的多种功能蛋白CytC3或PpcA等传递至镶嵌于细胞外膜上的各类金属还原酶OmcB等，进行电子的传递，参与铁循环的过程。Shewanellaceae属在自然界中分布广泛，包括深冷水海洋环境、南极浅海栖息地和淡水湖泊等。由于其能将重金属和有毒物质（如铁、硫、铀）转化为毒性较低的产物，因此对环境治理具有重要意义。Shewanella oneidensisMR-1是研究较充分的外源性电子微生物之一，在生物电化学系统中作为核心生物催化剂显示出巨大的应用前景。Geobacteraceae属和Shewanellaceae属不仅能通过胞外电子传递过程生成电力、氢气和甲烷等，还能通过胞内电子传递过程生成高值化学品。

Peptococcaceae属为革兰氏染色阳性微生物，其形态为球状，严格厌氧，适宜生长温度为37 ℃。细胞直径0.5~2.5 μm，无鞭毛和内生芽孢，可发酵氨基酸或碳水化合物生成低级脂肪酸、CO2和H2，或可生成琥珀酸或乙醇，或通过异型发酵形成乳酸。Peptococcaceae属常见于人和动物的口腔、肠道和呼吸道。Thermincola ferriacetica和Thermincola potens是Peptococcaceae属中两种嗜热的金属还原细菌，能够在微生物燃料电池上以乙酸为底物生成电流。

Desulfobulbaceae属为革兰氏阴性微生物，其形态为丝状，严格厌氧，适宜生长温度为25~40 ℃。Desulfobulbaceae属的大多数菌种被认为是硫酸盐还原性微生物，它们能将电子从各种还原性化合物传递到氧气以外的电子受体上，主要存在于海洋沉积物、热液喷口、酸性矿山排水地和碱性湖中。自微生物燃料电池等生物电化学系统发现以来，人们经常可以在阳极群落和生物膜中观察到它们。相关电化学活性菌的研究举例如表2所示。

4 单室和双室电发酵体统

电发酵体系通常被设计为双室结构，阳极和阴极被隔膜隔开，形成两个相对独立的单元，如图4a。可以用于隔膜的组件主要包括质子交换膜（proton-exchange membrane）、阴离子交换膜（anion-exchange membrane）和阳离子交换膜（cation-exchange membrane），其中最常用的是质子交换膜。双室电发酵的优点是膜组件将体系分成两个相对独立的单元，阳极反应和阴极反应相互隔开，从而减少了阴阳极之间微生物的相互作用，更有利于阴阳极中微生物的优化和产品的纯化。然而，膜的存在可能影响H⁺从阳极到阴极的速率从而导致H⁺在阳极中的积累，造成两个腔室之间存在pH梯度，不利于阳极微生物的生长繁殖，并增加了体系的内阻，降低生成产物速率，增加能耗。

为进一步降低反应器内阻及运行成本，无膜单室电发酵体系被开发出来（如图4b）。单室电发酵体系最大的优点是消除了由离子交换膜引起的较大体系内阻，并且利于两个阴阳极之间的物质交换，使电流密度增大，生成速率提高，并降低了设备成本和运行成本。Wang等研究表明，由于单室电发酵中没有膜，不但降低了体系的内阻，而且促进了阳极和阴极室之间的物质交换，提高了沼气生成效率。但单室电发酵体系不利于阴极和阳极微生物的优化，其原因可能是阴极和阳极室所需的微生物不同，单室阴极和阳极微生物的相互作用可能会降低体系的稳定性。Call等使用无膜单室电发酵产H2，制氢速率高达每天（3.12±0.02）m³ H2/m³，但由于反应器循环时间长，氢气回收率不稳定并呈现下降趋势。

双室电发酵体系多用于产电菌的筛选和富集、电极材料及交换膜等的性能测试，单室电发酵体系多用于提高提信息整体经济性并提供较高的功率输出。因此，单室和双室电发酵体系结构上的差异决定了其适用范围。

5 提升电发酵体系运行的方法

5.1.1 pH

pH是影响电发酵运行效果的主要因素之一，会影响微生物的生长、离子的浓度、质子的动力、微生物的酶活性和细胞膜的选择透过性。在不同的pH值下，由于微生物和酶的相互作用，会发生不同的发酵类型并且生成不同的代谢产物。例如，餐厨垃圾在不同pH条件下发酵的研究显示，当pH=3.2时，产物以乳酸为主，Lactobacillus是优选菌群，当pH值提升到4.5时，Bifidobacteria显著增加并促进了乙酸的生成，在pH值为4.7~5.0时观察到丁酸生成。Hashemi等的研究表明，过高或过低的pH都会降低α-淀粉酶的活性，甚至导致酶失活，从而抑制微生物的代谢活性。因此，控制发酵体系的pH有助于避免这一系列影响。定期调整电发酵体系pH值可以实现底物的完全利用。此外，控制pH还能影响产物的分布。例如，将反应体系的pH值从5.75降为4.75促进了醇（主要是乙醇）的生成，而抑制了乙酸的生成。以果糖为底物，将pH值控制在5.8，可以使果糖的转化率达到100%，有机酸和醇类的生成增加76.6%。

因此，为了维持反应体系的稳定运行，保持一个相对适合的pH值至关重要。有两种保持反应体系有适宜pH值的方法：（1）加入缓冲溶液，增加反应体系的缓冲能力，从而维持更稳定的pH；（2）反应期间实时监测并调节pH，维持反应期内pH的稳定。

5.1.2 温度

温度是影响微生物的生长和生物化学反应的重要因素，温度影响细菌的生长、底物的降解和代谢产物的分布。电发酵过程的温度范围设计包括低温段（环境温度）、中温段（30~38 ℃）和高温段（50~57 ℃）。为了在长期运行中保持稳定的性能，反应体系的温度应符合微生物生长代谢的最佳温度。Wang等证实了温度对H2生成的影响。在30、35、40、45、和50 ℃温度下，H2的产量分别为0.038、0.056、0.046、0.036和0.019 m³·m^-3·d^-1，证明了在电发酵体系中产H2的最佳温度为35 ℃。但在特定情况下，提升电发酵温度可以降低活化过电位，增强底物扩散，因此，嗜热电发酵在活性和耐久性方面可能优于中温电发酵。在这方面，Yu等证明了有机酸嗜热电合成的潜力，并通过在55 ℃下将嗜热微生物固定在阴极上实现了增强的性能，明显优于中温电发酵（37 ℃）。更多地，H2已被证明可以在低温度范围内生成，但可能因中温群落难以充分适应较低温度而导致体系运行失败。Xu等的研究显示，在0 ℃的电发酵中可以成功生成H2，这对低温地区的生物资源化生成具有重要意义。

5.1.3 工作电极电位

工作电极电位是影响电发酵反应器运行的重要因素之一。在电发酵体系中，提高工作电位可以使电子传递速度提高，阴极得到电子的速率加快，促进了反应进程。工作电极电位还可以改变微生物的新陈代谢，对微生物生成驯化作用，提高微生物活性，促进工作电极反应。利用生物电发酵反应器低温处理糖蜜酒精废水产氢时，当外电压为0.8 V时氢气产量达到最大值。Mukherjee等研究基于NADH/NAD+比率的调控，通过改变平衡电位（-0.8至+0.8 vs Ag/AgCl）控制Bacillus subtilis的代谢和目标产物的生成，发现在所有的应用电位中，较高的负平衡电位（-0.8 V）有利于H2和脂肪酸的生成，而正电位（+0.6 V）有利于琥珀酸的生成。但是外加电压会带来额外的运行成本，过高的电压不适合反应器设计对节能的要求。因此，提供适当的工作电极电位是电发酵反应器研究的一个重点。

5.1.4 底物浓度

底物浓度是影响发酵性能的重要参数之一。通常情况下，微生物的生长活性在一定范围内随着底物浓度的增加而增加，但底物浓度超过一定阈值，较高浓度的底物会抑制微生物的生长和繁殖。例如，高乙醇浓度（500 mmol/L）会促进微生物生长和己酸盐生成，而乙醇浓度超过700 mmol/L则会抑制微生物生长，影响发酵过程。因此，Zhao等采用不同浓度白酒（20%、40%、60%）研究传统发酵和电发酵两种发酵方式进行MCFAs的生成和机理研究。在底物浓度为40%时，电发酵和传统发酵均得到的己酸盐和丁酸盐浓度最高。与传统发酵相比，电发酵体系的总底物消耗量和产品回收率分别提高了2.6%~ 43.5%和54.0%~83%。微生物分析结果表明，电发酵有效缓解了底物毒性，富集了碳链延长菌，特别是Clostridiumsensustricto 12，从而促进了乙醇氧化和产物生成。因此，为了获得更高的电发酵性能，有必要确定底物浓度的最佳范围，实现目标产物的高效生成。

为强化电发酵体系的电子传递过程，向反应体系中添加导电介体。适当的导电介体不仅可以利用自身的电子传导功能来辅助电子传递，还可以利用自身的物理性质（比表面积、多孔结构、表面官能团等）来辅助微生物形成聚合物，促进电子传递。已报道的添加剂主要有碳材料和电子介体（如有机氧化还原介质和铁氧化物介质等）。

5.2.1 碳材料

近年来，导电碳基材料由于具有优异的导电性、高比表面积、化学稳定性和优异的催化活性，将其作为添加剂被认为是一种提高电发酵体系性能的策略。导电碳基材料的加入，不仅可以通过其电化学性质触发共营养微生物之间的电子传递，还可以作为微生物附着和生物量生长的支持载体，释放微量金属和挥发性物质，以支持发酵菌的生长。Yun等将木质纤维素的残留物制成生物碳基添加剂。这些生物碳基材料由具有优异导电性的小尺寸石墨碳骨架组成，这种独特的特性促进了发酵细菌和产甲烷菌之间的直接电子传递，加速了乙酸的代谢和甲烷的生成。炭黑作为一种常见的碳基添加剂，通常用作导电增强剂以提高脱盐性能，因为它可以作为集电器和活性炭之间的导电桥。另外，活性炭在0.5 g/L的剂量下促进了蛋白酶、葡聚糖酶和脂肪酶的活性，能将有机化合物降解为乙酸等产物的变形菌门丰度显著增加。因此，投加碳基材料作为外加导电介体，使目标产物微生物无需通过微生物连接进行电子传递，能诱导直接电子传递，加快微生物互养代谢速率，提高酶和蛋白的活性，提高目标产物产量。

5.2.2 电子介体

基于细胞培养的电发酵体系尽管对外源电子的摄入量极低，但其效能的强化常依赖于外源的电子介体。一些氧化还原活性的物质，例如含铁或锰的氧化物，可以作为一些金属还原细菌直接电子传递的介质或受体。在这种情况下，它们延长了直接电子传递的距离并最大限度地提高了运输效率，以将细胞内的氧化还原反应或代谢与细胞外电子传递相结合。其中，已发现磁铁矿可促进种间电子从Geobacter sp.传递到产甲烷菌，从而促进甲烷的生成。另外，也有报道中性红、甲基紫精、亚甲基蓝、蒽醌-2,6-二磺酸酯等人工氧化还原介质的氧化促进了电子的传递。这些小分子表现出很强的氧化还原活性，促进微生物从电极上吸收电子并提高电发酵体系的效率。例如，中性红通常作为电子介质，因其具有低标准的还原电位（-525 mV vs Ag/AgCl）以及高稳定性、高溶解度和低毒性，在电发酵体系中使用中性红来增强微生物与电极之间的电子传递，从而将CO向有价值的VFAs转化。Paiano等通过在电发酵体系中添加中性红和蒽醌-2,6-二磺酸酯，研究了葡萄糖向丁酸的转化，发现中性红和蒽醌-2,6-二磺酸酯为微生物提供了必要的还原能力，并提高了乙醇和乙酸在生成丁酸中的选择性。Choi等利用了Clostridium tyrobutyricum的催化能力，使用阴极作为电子供体。他们观察到，甲基紫精和中性红的添加分别使丁酸盐产量增加了1.4倍和1.8倍。在甲基紫精添加的电发酵体系中，乙酸盐作为阴极的电子供体，与对照组相比，乙醇浓度增加两倍，而氢气在体系中持续生成。在电发酵强化B. fiavumNo.2247、P. freudenreichii和C. tyrobutyricum BAS7发酵的研究中，发酵体系分别添加有0.01 mmol/L的中性红、0.40 mmol/L的硫酸钴和0.01 mmol/L的中性红作为电子介体。结果显示，外源的电子介体不仅可改变细胞原有的代谢分配，还能介导微生物与电极之间的电子传递、强化电发酵对细胞产物合成的促进作用。此外，Engel等研究了不使用外源介质的C. acetobuutylicum电发酵生成生物丁醇。结果表明，与添加酵母提取物的合成培养基相比，使用添加酵母的合成培养基可以获得更高的产品浓度。可见，欲通过电发酵体系强化产品发酵性能，电子介体亦是影响产品合成的重要因素。

近年来的研究表明，生物强化是提高微生物群落性能的有效途径，不仅提高获得所需产品的性能，还提高微生物群落的相互作用，以更好地适应各种环境条件。电发酵体系中的生物强化主要包括两个方面：（1）功能微生物的生物强化。例如，在碳链延长反应过程中，将碳链延长微生物Clostridium kluyveri用于强化MCFAs的生成。Zhang等比较了有无生物强化的碳链延长性能，通过构建Acetobacterium woodii和Clostridium kluyveri共培养，进一步促进碳链延长反应。结果表明，在电发酵体系中，功能微生物强化处理促使己酸盐浓度达到4.68 g/L；（2）电化学活性微生物的生物强化。如利用电化学活性微生物G. sulfurreducens强化的电发酵过程使1,3-丙二醇产量提升了约10%。Rahimi等在生物电化学系统中促进Clostridium butyricum和Clostridium beijerinckii的生长，进而促进丁酸形成。

6 电发酵的产物

电发酵的一个重要应用是利用有机废物生成增值产品。本节综述了电发酵中一些具有代表性的增值产品，包括甲烷、氢气、醇类、挥发性脂肪酸（VFAs）、高值化学品（如中链脂肪酸（MCFAs）、聚羟基烷酸脂（PHA）、聚羟基丁酸酯（PHB））等，如图5所示。

6.1 甲烷

甲烷是天然气和沼气的主要成分，是一种重要的能源资源，可应用于燃气发动机燃烧发电、锅炉供热等。厌氧发酵产甲烷是实现从废物中进行能量回收的有效途径之一，但传统的厌氧发酵通常在中温条件（35~37 ℃）或嗜热条件下（55 ℃）的密封容器中进行，因此可能发生过度酸化和系统性恶化。另外，从有机废物到沼气的逐步生物转化过程中，有机底物很容易分解为挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids, VFAs），当VFAs在消化池中不断积累时，pH值会显著降低，产甲烷菌和一些发酵细菌受到抑制，转化为甲烷的过程相当缓慢。近年来，为了提高厌氧发酵的稳定性以及加速甲烷的生成，电化学方法已被证实是有效改善厌氧消化的方法。在电发酵体系中，通过有机废物的水解和初级发酵生成可溶性、可利用的中间产物，将这些中间产物产物作为底物，电极控制底物中微生物的代谢和微生物种群之间的相互作用，强大的电子源的带电电极可以显著改变相关微生物的胞外电子传递过程，大量消耗氢离子从而放缓pH值的下降速度，最终达到加快降解速率、提高体系产甲烷能力的目的。电发酵促进有机质发酵产甲烷的机理主要包括四种途径：（1）电发酵阴极为细胞提供额外的电子，促进甲烷生成。Cai等采用电发酵体系促进有机废物（剩余污泥）产甲烷，发现氢营养产甲烷菌在电发酵阴极富集，使电发酵体系的产甲烷率相比于厌氧发酵体系提高了两倍；（2）电发酵可以通过阴极反应使CO2变成甲烷，提升甲烷的产量。Gerasimos等对电发酵在阴极中将CO2转化为甲烷进行研究。结果表明，来自电极或有机物的电子均与CO2反应生成甲烷，阴极反应式如：CO2+8H⁺+8e^-→CH4+2H2O；（3）电发酵可以阴极生成H2，使通过甲烷菌的作用，使H2与CO2反应合成甲烷。Gahyyn等报道了类似的研究，研究表明，生物阴极古菌群落以甲烷杆菌为主，并通过参与阴极的直接或间接（H2介导：2H⁺+2e^-→H2）电子传递机制促进甲烷生成，阴极反应式如：CO2+4H2→CH4+2H2O；（4）电发酵可以阴极生成H2，使同型产乙酸菌利用H2和CO2生成乙酸，再分解生成甲烷。Oh等展示了类似的结果，其反应式为：CH3COO^-+H2O→CH4+HCO3^-。

6.2 氢气

氢气作为一种清洁的可再生能源，广泛用作不同工业发展中的关键起始燃料/化学品。生物厌氧发酵制氢是重要的制氢技术之一。由于热力学条件的限制，传统的发酵制氢只能进行到羧酸阶段，而羧酸不能自然发酵制氢，导致难以从生物质中提取氢能。电发酵提供了通过阴极还原生成氢气的可行方法。电发酵促进有机质发酵产氢气的机理主要包括三种途径：（1）电发酵可以通过附着在电发酵阳极上的电活性微生物降解底物，释放质子和电子，电子直接传递到阴极，将H+还原为H2。早期Sun等报道了H2在电发酵体系的阴极中生成，通过阴极提供电子，在10 mmol·L^-1的磷酸盐缓冲液下，产氢率达到（2.2±0.2）mL·L^-1·d^-1；（2）电发酵可以通过抑制消耗氢气的甲烷菌、同型产乙酸菌和硫酸盐还原菌，强化H2的生成。Singh等发现电发酵体系可以抑制甲烷的生成，促进H2的生成；（3）电发酵可以通过乙酸盐在阴极生成H2。Liu等证明了使用电发酵能克服厌氧发酵的热力学限制从乙酸盐中生成H2。反应式为：CH3COO^-+4H2O→2HCO3^-+H⁺+4H2。

6.3 醇类

醇类是一种分子中含有跟羟基或苯环侧链上碳结合的羟基化合物，具有较高的经济价值，用于各种相关工业应用的化学品和燃料。醇类的生成已通过气体发酵和有机废物发酵得到证明。但气体发酵除了需要CO2作为原料外，还需要H2和/或CO为反应提供还原动力。而电发酵可使用CO2作为唯一的碳质原料为可持续生成醇类化合物提供潜在机会。目前通过电发酵可以促进有机质发酵产乙醇、丁醇和己醇等醇类。电发酵促进有机质发酵产醇类的机理主要包括三种途径：（1）电发酵可以以CO2作为碳源，在阴极上直接还原为醇。Vassilev等报道了一种特定的混合微生物组反应器，它能够使用CO2作为唯一的碳源和电极提供的还原能力，生成C4和C6相应醇（异丁醇、正丁醇和正己醇）的混合物；（2）电发酵可以将葡萄糖氧化为丙酮酸，在阴极还原为醇类。Alberto等和Wang等的研究证明了这一点，C3H4O3（丙酮酸）+2DADH+2H⁺→C4H4O（丁醇）+2CO2+H2O+2NAD+，2C3H4O3（丙酮酸）+2DADH+ 2H⁺+2H2O→2C2H5OH（乙醇）+2CO2+ 2NAD+；（3）电发酵可以利用乙酸作为电子受体，在阴极生成乙醇。Blasco等发现在生物阴极中积累的H2可以将CO2还原为乙酸盐，然后分子氢作为电子供体得到乙醇。反应式如下：2H⁺+2e^-→H2，4H2+2CO2→Acetate^-+H⁺+2H2O，Acetate^-+H⁺+2H2→Ethanol+H2O。

6.4 挥发性脂肪酸

挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFAs）又称短链脂肪酸（SCFAs），是指C2~C5的饱和羧酸，包括乙酸（C2H4O2）、丙酸（C3H6O2）、丁酸（C4H8O2）和戊酸（C5H10O2）。近年来，通过厌氧发酵从有机废物中生成VFAs是一种有效的生物炼制技术。但CO2和H2一直是VFAs厌氧生成过程中的副产物，称为产酸废气。据报道，厌氧发酵过程中生成的产酸废气可占所消耗底物的30%。产酸废气积聚在产酸反应器的顶空中，导致CO2和H2的压力升高，抑制VFAs的生成。电发酵提出三种途径促进有机质产VFAs：（1）在电发酵阴极利用产酸废气（主要是CO2和H2）产VFAs。Zhou等进行有机废水发酵产VFAs，研究发现，通过利用产酸废气可以有效提高VFAs的产量，比对照组提高了48.70%。通过利用产酸废气，消除了顶空H2分压的抑制，可以加速VFAs的生成，反应式为：4H2+2CO2→CH3COOH+2H2O；（2）产乙酸菌利用阴极的电子将CO2还原产VFAs。Nevin等发现了附着在阴极上Sporomusa ovata消耗电子，将CO2还原为乙酸，反应式为：2H2O+2CO2→ CH3COOH+2O2；（3）在电发酵阴极利用乳酸产VFAs。Isipato等报道了类似的结果，他们以乳酸为底物发酵在阴极生成丙酸，反应式为：3C3H5O3^-→2C3H5O2^-+C2H3O2^-+CO2+H2O。

6.5 高值化学品

采用电发酵体系生成的高值化学品有中链脂肪酸（Medium-chain fatty acids，MCFAs）、聚羟基烷酸脂（Polyhydroxyalkanoates，PHA）和聚羟基丁酸酯（polyhydroxybutyrate, PHB）等。

MCFAs是指C6~C12的饱和羧酸，包括己酸（C6H12O2）、庚酸（C7H14O2）、辛酸（C6H12O2）、壬酸（C8H16O2）、癸酸（C9H18O2）、十一酸（C11H22O2）和十二酸（C12H24O2），具有较强的疏水性，分离成本较低，是重要的化工原料和农用产品。厌氧发酵为MCFAs提供了一种可持续的生成方法。在厌氧发酵过程中，通过微生物的作用可以使VFAs、CO2等小分子物质通过碳链延长生成MCFAs。然而厌氧发酵的碳链延长过程往往因中间产物的积累等问题受到限制，电发酵作为一种很有吸引力的促进碳链延长过程的方法，有望获得比传统有机废物厌氧发酵途径生成MCFAs有更高的能量效率。电发酵提出三种途径促进有机质产MCFAs：（1）电发酵通过阴极提供电子，有以使VFAs碳链延长生成MCFAs。在没有化学电子供体的情况下，通过电发酵阴极将乙酸还原为乙醇，进而实现MCFAs的生成；（2）电发酵可在阴极将CO2转化为VFAs，进一步碳链延长生成MCFAs。微生物多样性表明，CO2浓度的升高增加了Acetobacterium和Clostridium的相对丰度，刺激电发酵中C4和C6羧酸盐的生成；（3）电发酵可以在化学电子供体存在的情况下，促进VFAs碳链延长生成MCFAs。Van Eerten-Jansen等以乙酸、乙醇为底物，在梭状芽孢杆菌的作用下利用电发酵强化己酸生成。

PHA是由微生物在碳源过量和营养限制条件下合成的天然聚酯，在自然界中可生物降解，被认为是一种石化基聚合物的替代品，此外在生物医学方面也有很好的应用前景。在实验室条件下，富含VFAs的发酵液是PHA生物合成的有效底物。因此，电发酵可使VFAs在阴极转化为PHA。Srikanth等对PHA在电发酵体系中的生成进行了研究，实验观察到，阴极室的VFAs浓度随时间的变化逐渐转换为PHA，实现了PHA的积累。

PHB是一种由微生物合成的生物塑料。当微生物在环境压力条件下生长时，它是细胞中的碳和能量储备。PHB可以通过甘油作为底物发酵生成，但微生物生长缓慢、产物抑制及纯菌体系运行成本高等问题限制了生物发酵合成PHB的发展和应用。Lai等发现电发酵甘油有效促进了微生物细胞生长和底物消耗，缓解了微生物的生长抑制，显著促进了PHB的合成和积累，使PHB的产量提高了30%。

相较于厌氧发酵体系，电发酵体系作为一种结合生物反应和电化学反应的新体系，在促进废物降解和强化产物生成方面均表现出很好的应用潜力。作为一项新兴的技术，电发酵技术面临很多科学、技术和经济方面的挑战。

（1）电发酵体系强化微生物代谢原理以及胞外电子传递机制尚不明晰。虽然已有大量研究观察到电发酵体系对微生物代谢和电子传递的强化作用，但有关强化机理的研究尚处于起步阶段，电化学作用如何调控微生物代谢、促进胞外电子传递、强化底物向产物的转化还有待进一步探究。机理层面的揭示可以为电发酵体系的进一步优化和应用提供理论依据。

（2）电发酵反应器材料和结构尚需进一步优化。针对双室反应器隔膜，还需要开发离子交换能力更强、机械强度和韧性更高、成本更低的离子交换膜，以降低电发酵体系内阻、提高电子传递效率；针对工作电极，还需针对特定场景开发兼具电导率高、生物相容性好、化学稳定性高和成本低等特性的电极材料，促进微生物与电极之间的高效电子传递。

（3）电发酵合成高值化学品的研究还需加强。目前电发酵体系研究大多集中于氢气、甲烷和VFAs 的生成，而对高值化学品（如MCFAs、PHA和PHB）的研究报道较少，尚缺乏更高值产物（如生物燃油、生物蛋白、有机聚合物等）的研究，未来应加强高值产物研究，拓展高值产物类型，实现更高值产物生成，提升电发酵反应体系的运行收益。

（4）缺乏大规模实践研究，反应体系的经济性还有待进一步提高和验证。受到技术和经济性等方面的限制，现有研究大多仍停留在实验室阶段，尚缺乏更大规模的应用研究。为了提升电发酵体系的经济性，一方面，需要从反应器的材料方面降低电发酵体系的投资成本；另一方面还需加强高值产物生成技术的研究，进一步开发更高值产物的生成，提升电发酵体系的经济效益和环境效益，为电发酵体系的工业化应用提供技术支持。

综上，通过进一步深化机理研究、提高材料研究、强化方法研究和开展应用研究，电发酵体系有望在废物降解、生物化学品合成等多个领域得到应用，为有机废物的高效资源化提供了一种兼具环境效益和经济效益的新方法。