综述：基于植物微生物燃料电池的智能水稻传感技术

《Technologies》：Plant Microbial Fuel Cell-Based Sensing for Smart Rice

　　

面对能源危机与气候变化等全球性问题，以植物微生物燃料电池（PMFC）为代表的生物电化学系统近年来受到广泛研究。该技术是一种融合植物光合作用、根际微生物代谢与电化学能量转换的前沿生物电化学技术。本文聚焦于PMFC与智能传感技术在稻田环境中的联动应用，系统阐述了该技术的基本组成、工作原理及其与稻田生态的集成模式，重点分析了其在自供电外部传感器部署、根际生物传感及多节点传感器网络集成方面的实现路径与应用潜力。分析表明，PMFC在淹水稻田中具有原位连续微发电的独特优势，其输出不仅能支撑低功耗传感器的间歇运行，其输出电信号亦可反映植物胁迫与环境状况，因而具备生物传感潜力。然而，当前系统仍面临功率密度低、电信号易受干扰、高性能电极材料成本高等关键瓶颈，制约了其在稻田的实际部署。通过电极界面工程、微生物群落定向调控与低功耗传感融合策略的协同优化，有望推动PMFC从原理验证向田间智能监测应用转化。

1. 引言

全球正面临能源危机、气候变化、水污染与粮食安全等多重严峻挑战。化石燃料的持续消耗导致储量锐减，其燃烧更是温室气体排放的主要来源。在此背景下，开发可持续清洁能源并协同修复环境污染成为全球科研与政策制定的焦点。植物微生物燃料电池（PMFC）正是这样一种新兴前沿生物电化学技术，它整合了植物光合作用、根际微生物氧化与电化学能量转换，为解决上述挑战提供了可行方案。与传统光伏电池依赖半导体材料直接将阳光转化为电能不同，PMFC不仅能昼夜连续发电，在低光照条件下亦可工作，同时兼具生态修复功能。相较于传统微生物燃料电池（MFC）发电过程中底物消耗过快的缺陷，PMFC的能源依赖于植物光合作用固定的有机碳，原则上任何能维持植物正常生长的陆地生境均有部署潜力。PMFC技术可应用于湿地构建生物电化学湿地系统，在处理生活污水与农业废水的同时回收化学能并发电；也可用于修复富营养化湖泊河流，植物吸收氮磷的同时系统产生电流，实现环境修复与能源回收的双重目标。PMFC的输出电压强度与土壤微生物群落组成、根系分泌物成分直接相关，基于此特性，它可作为实时原位生物传感器，监测作物健康状况、土壤肥力乃至病虫害压力，助力农户精准施肥灌溉，减少资源浪费。将PMFC系统与水稻农艺生态系统结合，可在不额外占用土地的情况下同步实现粮食生产与发电。PMFC技术植根于MFC研究，其核心是利用微生物作为生物催化剂，将有机物中储存的化学能直接转化为电能。PMFC则是将MFC技术与植物光合作用过程相整合，利用植物根系分泌的有机物作为发电燃料的系统。传统MFC的持续运行依赖外部添加有机物作为燃料，增加了运营成本与复杂性，限制了无外源能源补给场景的应用。为克服此局限，研究者将目光投向自然界广泛存在的生态系统，植物根系可提供持续的能量供给，PMFC概念由此诞生。PMFC本质上是MFC的一个专门分支，二者均依赖微生物在阳极区氧化有机物并随后转移电子产生电流。通过在植物根际嵌入电极，PMFC利用根系分泌物作为天然持续的燃料来源，依靠根际土著微生物群落的代谢活动，这些微生物能够高效降解复杂有机物并具有产电活性，从而产生电流。PMFC解决了传统MFC燃料供应不可持续的核心瓶颈，赋予了其在自然环境中长期自主运行的潜力。自2008年荷兰瓦赫宁根大学David Strik团队首次提出PMFC概念以来，该领域备受关注，从概念验证迅速发展至技术优化阶段，商业价值得到充分认可，荷兰公司“Plant-e”率先实现商业化，开发出一系列基于PMFC技术的规模化发电系统并申请专利。尽管该技术吸引了广泛关注并发展迅速，但整体研究仍处于早期发展阶段，与成熟可再生能源技术相比，仍存在显著的知识空白与技术瓶颈。早期研究多聚焦于芦苇、香蒲等湿地植物，因其根系分泌物丰富、根系庞大、生物量大，能带来最大发电潜力，且其生境天然适配MFC所需的厌氧条件，湿地环境充分满足了PMFC的应用场景。稻田作为全球最大的湿地类型之一，已有初步研究以水稻为模式生物探索MFC系统在稻田中的发电应用，但专门针对水稻这一全球最重要主粮作物整合PMFC的研究直至近年才兴起。稻田长期淹水为PMFC阳极提供了稳定的厌氧环境，利于微生物群落代谢活动；阴极通常位于土壤-大气界面形成的缺氧-好氧过渡带，为阴极反应提供了适宜条件。此外，稻田土壤本身富含多样微生物群落，水稻根系分泌物为微生物提供了持续可再生的天然燃料来源。这些固有特征使稻田生态系统成为PMFC部署的潜在理想场所。实证数据显示，将PMFC技术融入农业背景，预计年发电量分别可达约6,629,568 MWh和33,147,840 MWh。近期研究报道，稻田场景下的PMFC峰值功率密度可达806 mW·m^?2，远超早期研究中记录的稻田系统最高20 mW·m^?2的功率输出。然而，关于PMFC系统在稻田场景下的集成设计、环境影响及其在实际田间条件下的应用潜力，仍缺乏系统性综述与综合。鉴于水稻在全球粮食安全与农业环境中的关键作用，加之PMFC在稻田场景下发电与生态环境效益的巨大潜力，对该领域研究进展进行全面综述显得尤为必要。值得注意的是，现代农业对分布式、低功耗、免维护传感器网络的需求日益迫切，而PMFC微瓦至毫瓦级的输出特性与间歇式传感任务的能耗特征高度契合，为构建稻田自供电智能监测系统提供了新路径。本综述旨在系统梳理近年PMFC技术研究进展，深入分析其工作原理、应用场景与性能效能，为推进该技术在稻田背景下的深入研究与前瞻性实际应用提供理论参考。需说明的是，本综述聚焦于以水稻为植物组分、以淹水稻田为典型环境的PMFC系统，重点探讨此类系统作为稻田原位传感技术的原理、设计与应用。文中讨论的所有传感方法均围绕这一稻-田耦合系统展开，其他湿地植物或通用PMFC构型的研究仅在其原理可合理延伸时选择性引用。作为一篇叙述性综述，本文重点关注近十年的研究进展，优先纳入直接使用水稻作为植物组分、在淹水或模拟稻田条件及稻田土壤中进行的PMFC传感研究，其他湿地植物或通用PMFC构型的研究仅在其原理、材料或策略可合理延伸至稻田时选择性引用，且文中会明确说明这些研究的原始背景，避免过度泛化非水稻特异性发现。文献筛选首先通过标题和摘要进行初筛，最终通过全文审查确定纳入。此外，还纳入了一些背景参考文献以解释基础原理并进行比较。本综述的结构安排如下：第2节详细阐述PMFC系统的基本组成与核心运行机制，涵盖物理构成、能量来源、系统内电子传递过程及基础电化学机制，同时系统分析与讨论PMFC在稻田场景下的集成模式，比较PMFC与相关自供电技术谱系，明确PMFC在自供电领域的定位。第3节聚焦稻田PMFC与智能传感技术的集成应用，涵盖自供电外部传感器的部署应用策略、基于PMFC本征电输出信号的根际生物传感及其作为生物传感器的潜在效用、多节点传感器网络的系统集成方法。最后，在总结现有研究发现的基础上，指出当前研究面临的主要挑战，并对未来研究方向与发展前景进行展望。

2. 植物微生物燃料电池原理

PMFC是一种基于植物光合作用与土壤微生物电化学活动协同作用的生物电化学系统（BES），能够将有机物中储存的化学能直接转化为电能。其发电功能依赖于活体植物的持续供给，利用植物与微生物群落之间的共生关系建立互利互惠的联系。稻田土壤富含有机质，为水生植物与微生物生成生物质能提供了条件。早在PMFC概念提出之初，研究就证实该技术可应用于稻田场景并产生生物电。本章将系统阐述PMFC的物理构造与运行机制，从技术与生态系统双向耦合的角度分析其与稻田的集成模式，最后通过与自供电技术谱系的比较评估明确其定位。

2.1 系统组成与材料选择

PMFC利用有机物在微生物代谢作用下发生氧化还原反应，将其分解为质子和电子。双室PMFC通常由阳极、阴极、外电路和隔膜材料组成。氧化反应发生在厌氧阳极室，还原反应发生在阴极室，电子通过外电路定向移动产生电流，同时系统中的质子通过隔膜材料从阳极室扩散到阴极室。与双室PMFC相比，单室PMFC取消了阳极与阴极室之间的隔膜，采用空气阴极构型，将两个电极置于同一腔室内。通常阳极位于微好氧环境，阴极直接暴露于空气中，使氧气直接作为电子受体，其基本原理与双室PMFC并无本质差异。综上，PMFC系统由阳极、阴极、外电路和隔膜材料（仅双室构型）这些核心物理组件构成，各组件的材料选择对系统的电化学性能和长期运行稳定性具有重要影响。

2.1.1 阳极

PMFC通过电极收集系统产生的电子形式的电能。阳极的核心功能是吸引并富集产电微生物，高效捕获其代谢过程中产生的电子。因此，阳极材料通常需要具备高比表面积和多孔结构，为微生物提供最大附着位点，确保质子能够到达并穿过离子交换膜形成完整回路；优异的生物相容性和表面亲水性，以促进微生物的初始粘附、定殖和生物膜形成；良好的导电性（EC），降低阳极电阻对PMFC整体阻抗的贡献，保障电子传输路径畅通；合适的表面粗糙度，以增强微生物与电极表面之间的电子传递能力；以及结构稳定性和耐腐蚀性，以在复杂的根际土壤或水环境中保持长期性能。在选择金属材料制作阳极时，通常采用耐腐蚀不锈钢，易腐蚀金属遇水生锈会对植物和土壤产生毒性，铜对微生物群落有毒性作用，而铂等耐腐蚀金属虽导电性好但经济成本过高。然而，不锈钢电极在长期使用时仍易发生腐蚀和锈蚀，损害PMFC性能。碳基材料目前是研究与应用的主流，包括石墨板、碳纤维布、碳颗粒、碳棒、碳泡沫、碳毡和碳纸等。前期研究表明，阳极改性策略包括酸处理、氨处理和等离子体处理，这些处理可增加电极表面正电荷密度和亲水性，从而显著提高微生物附着能力和电子传递效率。考虑到稻田大规模部署的需求，阳极材料的选择应倾向于低成本、易于大面积铺设且结构稳定的碳基材料。此外，材料不仅要具备良好的导电性和多孔结构以促进水稻根际微生物群落的附着和后续电子传递，还需具备表面亲水性和高生物相容性，以确保在长期淹水和农业作业条件下的稳定性能，满足可持续规模化部署的经济性和实用性需求。

2.1.2 阴极

阴极的核心功能是接收来自外电路的电子，并与质子及环境氧气结合形成水。因此，阴极材料通常需要高导电性和低电阻，以确保外电路的电子能够快速低损耗地到达反应位点；高比表面积以促进与周围氧气分子的充足接触；良好的氧扩散和传质能力，保证反应界面氧气供应充足；对氧还原反应（ORR）的催化活性，以降低反应能垒，提高反应速率；适宜的三相界面，以高效实现涉及水、催化剂和空气的反应；以及化学和机械稳定性，以在氧化电位和潜在的物理接触下保持性能。在选择碳基材料制作阴极时，通常优先选用碳布、碳纸、碳棒、石墨板和改性碳材料。阴极改性通常旨在增强ORR的催化活性，改性方法包括掺杂铂等贵金属催化剂、掺杂非贵金属催化剂以及构建三相界面结构。高催化活性阴极材料的开发已显著提升了PMFC的阴极性能。在稻田场景中，由于阴极反应需要充足的氧气参与还原反应，阴极组件通常位于含氧的稻田水层内或附近。同样，为满足大规模部署需求，阴极材料的成本选择必须遵循经济可行性原则。因此，掺杂非贵金属催化剂的专用材料开发受到了广泛关注，这类材料可显著降低阴极制造成本。

2.1.3 外电路

PMFC通过外电路实现定向能量输出和电化学平衡。外电路的核心作用是在阳极和阴极之间建立稳定的电位梯度，驱动持续电流的产生，完成从底物化学能到电能的转换。电路由金属导线组成；为实现高效可靠的电子传输，金属导线通常选用具有高导电性、低欧姆损耗和化学稳定性的材料。电路中通常串联一个固定电阻作为负载，或连接到数据采集系统以实时监测电压和电流。产生的电能可存储在电容器或小电池中以给低功耗电子设备供电。当系统在稻田场景部署时，考虑到长期淹水环境，需选择包裹绝缘材料的耐腐蚀导线。此外，为承受环境中潜在的物理扰动，导线还必须具备一定的机械强度。外电路的材料和构建质量直接决定了PMFC能量输出的可用效率和系统运行的稳定性。

2.1.4 隔膜材料

对现有经典PMFC构型进行分类，沉积物型PMFC和屋顶型PMFC属于单室PMFC；圆柱形PMFC、箱式PMFC、管式PMFC和平板式PMFC属于双室PMFC。双室PMFC（如管式PMFC）可通过水平埋设实现稻田场景下的持续发电，且不破坏耕层或干扰正常农事操作。在双室PMFC中，隔膜材料位于阳极区和阴极区之间，物理隔离两者以防止电极短路，同时保持厌氧根际环境和好氧阴极环境的稳定性。它选择性允许质子传输以实现高效转移并完成回路循环，有效阻碍氧气向阳极扩散，从而避免抑制厌氧微生物代谢。因此，隔膜材料是平衡双室PMFC发电性能和长期运行稳定性的关键组件。相比之下，单室PMFC可以不使用隔膜材料，因为植物生长所在的土壤部分履行了隔膜材料的功能。在开阔的稻田环境中，某些研究采用无隔膜设计以实现成本控制，依靠土壤或水介质进行离子传导，这是典型的单室PMFC构型。单室PMFC的核心优势在于通过省略传统双室设计中的隔膜材料简化了结构，显著降低了系统建造成本和工艺复杂性，同时减轻了膜老化或堵塞带来的维护需求。尽管单室PMFC通过取消隔膜材料降低了结构设计和制造成本，但其阳极区仍易受外界氧气扩散的影响，这一缺点会抑制厌氧菌的生长和代谢活性，导致系统性能下降。双室PMFC的核心优势在于其物理分隔的结构设计，采用隔膜材料分隔阳极室和阴极室，这种设计有效防止了氧气从阴极向阳极扩散，从而维持了阳极区内产电微生物的严格厌氧环境，不仅保障了厌氧菌的活性和丰度，还避免了植物分泌有机物的非产电氧化损失。理想的隔膜材料应在跨膜物质扩散和阴阳极之间的离子交换之间取得平衡。基于膜的类型，PMFC可分为阳离子交换膜（CEMs）和阴离子交换膜（AEMs）两类。CEMs表现出优异的机械性能；AEMs在耐久性和导电性方面不如CEMs，但具有更好的经济性。对于CEMs而言，Nafion（一种以其高离子电导率和阳离子交换特性而闻名的四氟乙烯磺化氟聚合物共聚物）因其磺酸基团赋予的负电荷特性和卓越的质子传导能力而成为首选材料。然而，其在PMFC中的应用受到成本高、除质子外对其他阳离子渗透性有限、氧气交叉渗透和底物损失等因素的制约。隔膜材料必须具有极高的经济性，表现出优异的机械和结构稳定性，并能同时防止生物污垢沉积；当前隔膜材料的发展正是基于这些标准。目前，PMFC研究普遍采用陶瓷、尼龙、纤维素和聚碳酸酯等多种材料制成的膜，以增强质子传导并阻碍氧气传输。尽管膜在提高PMFC系统的底物利用率和输出稳定性方面发挥着重要作用，但其成本约占系统总成本的38%，从而构成了PMFC商业应用的主要制约因素。

2.2 工作机制与电化学过程

作为一种整合植物及其根际共生微生物在根际内发电的生物电化学系统，PMFC的能量转换过程涉及连续的植物生理、微生物和电化学过程的级联。鉴于PMFC的发电过程包含多种机制，研究将其系统地划分为三个核心阶段：能量输入、电子传递以及电路集成与输出。

2.2.1 能量输入

PMFC系统的初始能量来源于太阳辐射，植物通过光合作用将二氧化碳和水转化为有机化合物，从而以化学能的形式封存光能。在PMFC系统中，光合作用主要发生在植物叶片等绿色组织的叶绿体中，其实质是利用光能将无机物转化为富含能量的有机物。具体而言，光合作用可分为光反应和暗反应两个阶段。在光反应阶段，叶绿体类囊体膜上的电子传递链利用太阳能将水分解为电子和质子，驱动光能转化为三磷酸腺苷（ATP）和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）。在暗反应阶段，利用ATP和NADPH提供的能量和还原力，通过叶绿体基质中的卡尔文-本森-巴沙姆循环固定CO₂，最终合成葡萄糖等碳水化合物。通过光合作用固定的碳中，40–60%被分配到地下，一部分以根系分泌物的形式释放到根际，支持根际微生物群落的生长和代谢。除了根系分泌物，根际沉积物还包括脱落的根冠细胞和粘液，以及衰老根组织的分解产物。这些物质共同构成了植物通过光合作用固定并主动或被动通过根系释放到根际环境中的总有机碳和能量输入。在PMFC的阳极区，这些沉积的有机化合物为附着的电活性微生物提供了可持续的代谢底物。微生物氧化分解这些有机化合物以获取生长所需的能量，在此过程中产生电子、质子和代谢副产物，这些构成了PMFC系统的化学能源。

2.2.2 电子传递

深入研究胞外电子传递（EET）机制有助于优化PMFC的电流输出策略。在PMFC的厌氧阳极区，电活性微生物通过代谢根系沉积的有机物获取能量并产生电子；随后，这些电子通过直接或间接方式转移到阳极，完成EET。EET是微生物克服细胞膜绝缘和物理屏障的关键机制，在PMFC电极与微生物的相互作用中占主导地位。产生的电子通过涉及直接和间接机制的多种途径从微生物细胞内部传递到阳极电极表面：1）直接电子传递（DET），阳极表面形成的生物膜、菌毛以及细菌膜内嵌入的c型细胞色素或导电纳米线促进电子直接转移到不溶性电子受体，通常发生在具有导电蛋白的电活性微生物中。大量研究证明，由c型细胞色素和导电蛋白Omc和Mtr组成的电子传递途径在硫还原地杆菌（Geobacter）和希瓦氏菌（Shewanella）的EET过程中起着关键作用。同时，硫还原地杆菌通过由细胞色素OmcZ和OmcS的聚合亚基组装而成的导电纳米线实现长距离电子传递。2）间接电子传递（IET），也称为介导电电子传递（MET），通过氧化还原活性电子载体或次级代谢产物完成。这种机制不需要微生物与电极直接接触；微生物通过释放内源性介体、可溶性氧化还原化合物或利用合成的外源性介体作为电子穿梭体来实现EET。某些微生物具有内源性合成氧化还原介体的能力，从而无需外源性介体即可促进电子传递。以黄素为代表的次级代谢产物可以高效地将电子从微生物细胞穿梭到阳极或生物膜，并在氧化后参与未来的氧化还原反应，从而加速微生物释放电子的速率。在PMFC系统中引入外源性介体，如中性红、亚甲基蓝（MB）、蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDS）、绿脓菌素和黄酮类化合物，可以有效提高电子回收效率。这类介体通常具有环状或杂环结构以及相对较高的氧化还原电位（Eh），能够促进EET过程，从而显著提高系统的整体氧化还原性能。此外，导电矿物、非生物碳、碳布和氧化石墨烯基材料等非生物因素也被证实能促进EET并提高发电效能。未来的研究可以通过构建整合DET和IET机制的混合系统来增强稻田场景下PMFC的性能。具体到稻田环境，研究工作可致力于提高水稻根际DET机制中微生物纳米线的导电性和耐久性，以及水管理制度和季节变化下电子传递过程的稳定性，并解决IET机制优化中介体获取、可持续性和生态安全性等问题。

2.2.3 电路集成与输出

在PMFC的阳极区，附着在阳极电极上的有机物发生氧化反应释放电子，电子通过外电路定向流向阴极。到达阴极后，电子与从阳极迁移过来的氧化剂和质子结合，发生还原反应，在阴极区持续消耗电子并生成水。在整个过程中，电子通过外电路从阳极流向阴极，形成稳定的电流。为维持系统内的电荷平衡，质子在内部迁移，与外电子流一起构成一个完整的闭合回路。PMFC系统在阳极和阴极发生的反应如下：阳极：C₆H₁₂O₆+ 6H₂O → 6CO₂+ 24H⁺+ 24e^?；阴极：6O₂+ 24H⁺+ 24e^?→ 12H₂O。上述过程构成了一个完整的生物电化学循环。在该循环中，阳极区有机物的氧化反应赋予其相对较低的电极电位，而阴极处氧气还原为水的反应则表现出相对较高的电极电位。这两个半反应的标准电位之差构成了PMFC的理论最大开路电压。然而，在实际运行中，当电路闭合且有电流流过时，外电路负载上测得的工作电压远低于理论值。这种差异主要源于活化损失、代谢损失、传质损失和欧姆损失等因素。因此，系统的实际输出电压是从理论电压中减去上述所有电极过电位和欧姆损失之和后的净值。实际工作电压与外电路电流的乘积，即P = U (V) × I (A)，定义了输出功率，决定了PMFC的性能。需要注意的是，上述以葡萄糖为唯一底物的电化学描述仅仅是一个理想化的框架。在实际稻田环境中，PMFC的电化学行为还受到根际pH波动、溶解氧侵入、底物组成动态变化以及竞争性电子受体分流电子流等多种因素的影响。此外，淹水稻田土壤中产甲烷菌与产电菌对底物的竞争会导致电子损失，稻田土壤的空间异质性会造成阳极电位和底物浓度的非均匀分布。这些因素共同导致实际输出电压偏离理论预测，同时也赋予了PMFC输出信号丰富的根际环境信息，为后续讨论其作为原位生物传感器的应用奠定了基础。

2.3 PMFC-稻田生态系统集成模型

PMFC与稻田的集成涉及植物、微生物、电极和淹水土壤环境之间多维度的耦合机制。理解这种集成模型需要从两个相互关联的视角进行审视：PMFC对稻田生态系统的生态效应，以及水稻栽培活动和环境参数对PMFC运行性能的反馈调节。这种双向互动决定了PMFC的田间部署不能采用统一的设计，而是需要根据具体的土壤条件、农艺措施和气候特征进行定制化优化。理想的集成模型应在深入分析当地水稻栽培体系的基础上，协同优化PMFC设计参数和农艺操作，从而实现电能输出与生态效益的组合最优化。这是PMFC技术向田间应用过渡的前提，也是推动智能水稻传感技术从概念验证走向实际实施的关键步骤。

2.3.1 PMFC对稻田生态系统的正反馈效应

PMFC在发电过程中可为稻田环境带来多重生态效益，主要体现在温室气体减排、土壤修复和水质改善等方面。其中，甲烷减排是PMFC的一项潜在生态效益，值得审慎评估，因为其有效性高度依赖于系统配置、运行条件和田间管理等多种因素，并不一定能实现净减排。稻田是全球农业甲烷排放的主要来源，年排放量约为39.3 ± 4.7 Tg，占全球人为甲烷排放总量的6%至11%。中国是世界上水稻田甲烷排放量最高的国家，估计年排放量为8.2 ± 1.0 Tg。在一定条件下，应用PMFC技术可有效减少稻田甲烷排放。稻田长期淹水形成的厌氧环境促进了产甲烷菌的代谢，导致大量甲烷释放。通过提高阳极区的氧化还原电位（Eh），PMFC使产电菌在争夺有机底物和电子供体方面获得竞争优势，从而抑制产甲烷作用。研究表明，在添加秸秆的稻田土壤中，沉积物微生物燃料电池（SMFC）可减少39%的累计甲烷排放量；应用生物炭等土壤改良剂可通过提高电子传递效率和调节微生物群落来增强PMFC的甲烷减排效果，结合生物炭施用可使减排效果进一步增强至57–60%。另一项关于水稻PMFC的研究报道了38%的甲烷减排率，且对二氧化碳排放无显著影响，表明PMFC的减排机制具有甲烷选择性。然而，基于现有文献，PMFC对甲烷排放的调控效果受多种因素影响。关于电极电位和电路状态，研究发现，在闭路条件下，产电菌更容易获得竞争优势，从而抑制产甲烷作用；而在开路条件下，甲烷排放量通常更高。有机质可利用性对MFC的甲烷排放调控有相当大的影响。当秸秆添加量为0.5%（代表中等有机质含量）时，闭路MFC通过产电菌与产甲烷菌对有机底物的竞争显著减少了甲烷排放；然而，当秸秆添加量达到1%或更高时，闭路MFC反而增加了甲烷排放，且添加量越高效果越明显。这种现象并非源于产甲烷菌竞争优势的增强，而是高有机质输入加速了闭路条件下溶解氧的消耗，抑制了甲烷氧化菌的活性，从而减少了甲烷的氧化去除。水分管理措施，如间歇灌溉（包括排水和晒田），可以抑制产甲烷菌的代谢活动，与PMFC的电子竞争机制产生协同效应。产电菌与产甲烷菌之间的竞争关系是决定甲烷排放方向的关键。研究表明，阳极表面硫还原地杆菌（Geobacter）的大量富集与甲烷丝菌属（Methanosaeta）相对丰度的抑制呈显著负相关，表明产电菌的优先定殖是甲烷减排的重要前提。土壤条件显著影响PMFC的甲烷减排性能。在自然土壤中，PMFC可通过生物电化学竞争抑制产甲烷作用；而在盐碱土中，背景甲烷排放量极低，PMFC的额外减排效果有限。电极构型和材料通过影响产电菌的附着效率和电子传递速率来调节甲烷减排，使用活化生物炭电极可使PMFC的甲烷排放量减少38%。Fauzan等人的研究让MFC在稻田土壤中运行约75天，观察到CH₄排放量达到10.235 kg ha^?1d^?1，比对照（4.181 kg ha^?1d^?1）高出约2.5倍，反而大幅增加了甲烷排放；产电菌和产甲烷菌在运行早期可能经历波动的竞争平衡，初始CH₄排放峰值高达2523 mg m^?2d^?1，随着运行时间的增加，土壤中水溶性总有机碳（TOC）的快速消耗使产电菌逐渐占据主导地位，导致甲烷排放量大幅下降。此外，Arends等人在利用PMFC处理淹水稻田土壤的研究中报告，当外电路中断或有机负荷过高时，产甲烷菌可能主导底物竞争，导致甲烷产量超过产电量。该研究进一步指出，产电菌成功战胜产甲烷菌的关键在于其能否首先建立稳定的产电生物膜并实现有效的电流输出。如果产甲烷菌优先占据优势生态位，或者外电路未能持续导通，PMFC对甲烷排放的抑制作用将大幅减弱，甚至可能导致甲烷排放升高。这些相互矛盾的发现表明，虽然提高Eh，PMFC可能会暂时逆转微生物的竞争关系，引发甲烷排放增加的不良后果。这种效应受系统配置、电极材料、微生物群落结构和田间管理条件等多种因素的显著影响。因此，PMFC对甲烷排放的影响不一定是减少，而是由多种因素耦合作用决定的结果。只有通过针对特定场景的优化，仔细评估产电菌与产甲烷菌的竞争动态和有机负荷水平，并防止初始甲烷激增，才能在适宜条件下实现PMFC的有效甲烷减排。在土壤修复和水净化方面，PMFC也展示了应用潜力。PMFC主要通过阴极电化学还原、阳极微生物代谢耦合以及植物吸收等机制，实现重金属的去除与稳定化、营养物质的去除与转化以及硫化物的降解。在重金属去除研究中，Niu等人在稻田土壤中构建了SMFC，运行30天后，Cr(VI)去除率达到93.67%，生物可利用态Cr降低97.44%，残渣态Cr增加88.89%；同时，阳极区富集了具有重金属抗性的产电菌如脱硫肠状菌属（Desulfotomaculum），阴极区富集了Cr(VI)还原菌如氢噬胞菌属（Hydrogenophaga），其丰度是普通土壤的1000倍以上。在一项铜污染土壤研究中，采用聚苯胺-聚多巴胺（PANI-PDA）改性碳毡阳极的PMFC，阳极比表面积增加了489.84倍，铜去除率达到90.53%，比传统碳毡阳极提高了38.1%。一个利用甘蔗汁作为有机底物的MFC系统，在33天的运行期内，对Cu²⁺、Cd²⁺和Pb²⁺的去除效率分别达到89.12%、84.43%和89.58%。Wang等人利用人工湿地-微生物燃料电池（CW-MFC）处理含锌和镍的污泥，运行60天后，Zn去除率达到76.88%，Ni去除率达到66.02%，分别比传统人工湿地提高了约25%和7%。此外，21.10%的Zn和26.04%的Ni积累在植物根部，14.48%的Zn和16.50%的Ni积累在阴极电极上，高价态的Zn和Ni物种被有效还原为低价态或金属单质。在氮磷污染控制方面，PMFC的核心机制涉及调节土壤Eh以抑制反硝化过程、电化学驱动的铵态氮迁移和同化吸收，以及由功能微生物介导的同步脱氮除磷。Rusyn等人综述了CW-MFC部署运行后对氮、磷、重金属和农药的去除效率。研究表明，CW-MFC可实现高达99%的磷酸盐（PO₄^3?）去除率和高达94%的铵态氮（NH₄⁺）去除率，同时促进变形菌门（Proteobacteria）等硝化细菌和反硝化细菌的富集，增强同步脱氮除磷效果。该综述进一步指出，CW-MFC对某些有机氯农药、毒死蜱和硝基苯具有较高的去除能力，暗示后续研究可专门调查PMFC在稻田场景下对农药的去除功效。Liu等人采用厌氧流化床MFC（AFB-MFC）处理高盐含氮工业废水，以碳刷生物膜为阳极，以大孔吸附树脂为生物膜载体，实现了氨氮最大去除效率97.97 ± 0.97%、亚硝酸盐氮98.81 ± 1%、硝酸盐氮99 ± 0.47%。关于硫化物降解，PMFC通过利用固体电子受体驱动硫化物氧化来实现去除。Zhu等人研究了基于S⁰的CW-MFC系统处理低碳氮比（C/N）废水，发现硫化物作为中间产物在原位降解，未造成积累或系统崩溃，且硫氧化细菌如硫杆菌属（Thiobacillus）的相对丰度显著增加。综上所述，PM