厌氧生物转化是实现废水资源化与碳中和目标的重要技术路径，其核心价值体现在两条具有高度互补的产品回收路线上：一是通过产甲烷作用回收生物能源甲烷（CH4），二是通过碳链延长途径合成高附加值中链羧酸（MCCAs，C6–C12）。上述两条路线的转化效率均受制于微生物电子传递过程的热力学壁垒和动力学限制。传统依赖氢/甲酸扩散的种间电子传递方式易受热力学失衡、代谢产物积累及微生物互作失稳等因素制约，而碳链延长过程还面临胞内电子歧化与能量保守机制内在脆弱性的挑战。在此背景下，电活性材料作为外源调控手段被引入厌氧体系，显示出加速底物转化、增强产甲烷抗逆性、调控产物选择性等增效潜力。
当前对电活性材料作用效能的研究主要停留在现象描述层面，机制层面往往将宏观性能提升归因于“直接种间电子传递”路径；这种归因多数以推测为主且过度简化，忽略了材料功能的多元性与界面过程的层级性。针对这一体系复杂机制的认知挑战，课题组在总结分析现有研究进展的基础上，提出了以“三界面”为核心的跨尺度机制解析框架，将电活性材料介导的微生物电子传递过程解构为三个相互关联又层次分明的界面过程：（1）在生物-生物界面，着重阐明电活性材料如何通过调控热力学过程来引导双向互营代谢通量，并重新审视了现有直接种间电子传递的因果解释；（2）在材料-生物界面，将电活性材料的定位从静态生物导体转向动态调控介质，深入分析其物理性质与表面氧化还原化学特性如何主导界面电荷转移过程；（3）在胞内-胞外界面，揭示了电活性材料如何通过调控跨膜电子流来重置胞内碳代谢流向，提出“功能替代”所引发的生物合成能量权衡假说。该框架的核心理念在于：材料性质通过胞外界面影响胞内生物能状态，进而影响互营群落的热力学边界——三界面构成动态耦合的因果链条，而非平行独立的层级。
基于这一框架，论文对该方向长期存在的若干研究挑战进行了梳理与探讨。在方法学层面，指出当前研究普遍混淆了材料本征导电性与真正生物电子传递增强效应的界限，往往忽视了碳材料渗流阈值、非生物氧化还原缓冲及铁循环等并行贡献；在生态学层面，审视了将Geobacter视为直接种间电子传递代名词的研究惯性，揭示其在复杂废水体系中的生态相关性存在显著的基质依赖性；在界面机制层面，解析了胞外聚合物在电子传递中的双重角色，提出了电活性材料诱导的胞外聚合物导电性增强效应需甄别材料本征贡献与生物响应本身的贡献；此外，论文还剖析了铁基材料中“静态导体”假说的简化性，指出应关注半导体的电容机制、固相Fe(III)/Fe(II)的氧化还原循环过程，以及零价铁动态自演化界面的复杂行为；同时指出了碳材料中导电性与赝电容之间的热力学拮抗关系。
在综述展望部分，论文提出了涵盖材料、微生物、反应器与可持续性四个维度的阶段性发展路线图。在材料层面，倡导从经验筛选逐步转向自适应材料-微生物生物杂化体的理性设计，提出自修复电活性材料的发展愿景，即利用微生物代谢主动维持或再生材料电化学活性界面；在微生物层面，主张整合多组学手段解码三界面机制，最终迈向合成电-遗传微生物组工程，通过可编程基因线路实现代谢流定向调控；在反应器层面，提出了人工智能与数字孪生驱动的过程强化路径，强调物理信息神经网络在弥合微观界面动态与宏观过程变量之间的关键作用；在可持续性层面，强调应从全生命周期视角统筹材料经济可行性与环境安全性，推动“以废治废”的资源闭环和绿色生态设计原则。
该综述论文以“Electroactive Materials for Anaerobic Bioenergy and Bioproducts Recovery from Wastewater: Decoding Tripartite Interfaces in Microbial Electron Transfer”为题发表于Environmental Science & Technology (https://doi.org/10.1021/acs.est.6c06562)。论文第一作者为徐慧副研究员，共同作者包括硕士生刘庆超、段玉馨、郑雅文和花铭教授、张炜铭教授，通讯作者为潘丙才教授。这一工作得到国家重点研发计划(2021YFA1201703)、国家自然科学基金(22406086)、南京大学AI与AI for Science项目(021114380230)及江苏省卓越博士后计划(2024ZB691)资助。
