综述：生物炭作为微生物载体在提高厌氧消化系统中沼气生产效率中的作用

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：The role of biochar as a microbial carrier in enhancing biogas production efficiency in anaerobic digestion systems

生物电化学系统（BES）中微生物燃料电池（MFCs）与微生物电解槽-厌氧消化（MECs-AD）协同产能机制、压力调控策略及人工智能优化路径的系统综述，强调电生成菌与产甲烷菌的互作、多应力协同稳定化技术及AI驱动的合成生物学应用。

　　微生物燃料电池（MFCs）和微生物电解池与厌氧消化结合（MECs-AD）技术是生物电化学系统（BES）中新兴的重要方法，旨在提高从生物废弃物中获取生物能源的效率。这些系统不仅为可再生能源开发提供了新的思路，也为解决全球水资源保护、资源短缺和废物管理等重大挑战提供了可行的解决方案。本文系统回顾了MFCs和MECs-AD中微生物群落的技术与生物学特性，探讨了其在电能和沼气生产中的关键作用，并分析了当前研究中的热点与挑战。

生物电化学系统的核心在于微生物的电活性，即某些微生物能够通过氧化有机物产生电子，并将这些电子传递至阳极或阴极，从而实现能量转换。在MFCs中，电活性细菌（electrogens）通过直接或间接方式将电子传递至阳极，随后通过外部电路传输至阴极，最终在阴极发生氧化反应，产生电能。而MECs-AD则结合了微生物电解池与厌氧消化系统，通过电活性微生物和产甲烷古菌（methanogens）的协同作用，提高沼气产量和系统稳定性。这种协同机制不仅有助于提升能源回收率，还能增强系统对复杂环境的适应能力。

在MFCs中，抑制产甲烷古菌的生长是关键，因为这些微生物会将电子用于生成甲烷，从而降低电能的产出。通过采用多种策略，如纯菌株培养、混合菌群构建、基因工程技术以及生物强化（bioaugmentation），可以有效调控微生物群落结构，促进电活性细菌的主导地位。而在MECs-AD系统中，产甲烷古菌的参与则有助于提高沼气产量，因此需要通过优化菌群组成和环境条件，实现电活性微生物与产甲烷古菌之间的平衡。这种平衡的实现依赖于对微生物相互作用机制的深入理解，以及对纳米导线等关键生物材料的调控。

微生物在不同环境压力下的行为变化对BES系统的稳定性和效率具有重要影响。研究表明，施加适当的应力（如盐度、温度波动、极端pH值、水力/剪切力以及电磁场等）可以显著提升微生物的活性和代谢效率。这些应力条件不仅能够促进电子传递效率（EET），还能增强生物膜的形成和基质的利用能力。通过合理设计应力组合，可以实现对功能微生物群落的定向富集，从而优化BES的整体性能。例如，适当的盐度梯度有助于筛选出耐盐性强的电活性细菌，而温度波动则可能促进某些微生物的代谢活性，提高系统的适应性。

此外，微生物之间的协同作用是BES系统高效运行的重要基础。电活性细菌与产甲烷古菌之间的相互作用不仅影响电子传递路径，还决定了系统是否能够实现稳定的能量输出。研究发现，某些电活性细菌能够通过纳米导线直接与产甲烷古菌建立联系，从而形成高效的电子传递网络。这种网络的存在不仅提高了系统的能量回收率，还增强了其对环境变化的耐受能力。因此，深入研究微生物之间的相互作用机制，以及如何通过调控微生物群落结构来优化这一网络，是当前BES研究的重要方向。

随着人工智能（AI）和机器学习（ML）技术的发展，这些方法在BES系统中的应用也逐渐增多。AI和ML可以用于预测微生物基因的敲除或插入，从而设计出具有更高电子传递效率的微生物菌株。例如，神经网络和随机森林算法能够分析微生物群落的动态变化，识别关键代谢途径，并预测不同环境条件下微生物的行为模式。这些算法的应用不仅有助于提高BES系统的预测能力，还能优化其运行参数，提高能源回收效率。此外，AI驱动的模型还可以用于实时监控系统的运行状态，及时发现并解决潜在问题，确保系统的长期稳定运行。

尽管BES技术展现出巨大的应用潜力，但在实际推广过程中仍面临诸多挑战。首先，微生物群落的复杂性使得系统的调控和优化变得困难。不同微生物之间的竞争关系可能会影响系统的整体性能，因此需要建立有效的调控策略，以维持微生物群落的稳定。其次，BES系统的工程化应用仍处于初级阶段，如何提高系统的规模化生产能力和经济可行性是亟待解决的问题。此外，微生物在不同环境条件下的适应性也需进一步研究，以确保系统在实际运行中能够保持高效性能。

未来的研究方向应集中在以下几个方面：一是加强对微生物群落动态变化的研究，探索不同环境条件下微生物的适应机制；二是开发高效的微生物调控策略，包括纯菌株培养、混合菌群构建以及基因工程技术的应用；三是优化BES系统的运行条件，如pH值、温度、盐度等，以提高系统的稳定性和效率；四是推动AI和ML技术在BES系统中的深入应用，实现对微生物行为的精准预测和系统性能的实时优化。通过这些研究，有望进一步提升BES系统的性能，使其在实际应用中发挥更大的作用。

综上所述，MFCs和MECs-AD技术为生物能源的开发提供了新的思路，其核心在于微生物群落的调控和优化。通过深入研究微生物的电化学行为、相互作用机制以及在不同环境压力下的适应能力，可以为BES系统的高效运行奠定基础。同时，结合AI和ML技术，能够实现对系统性能的精准控制，推动其向规模化、智能化方向发展。未来，随着技术的不断进步和研究的深入，BES系统有望成为可持续生物能源生产的重要手段，为全球能源和环境问题提供有效的解决方案。