生物质是指依赖于光合作用形成的各种有机质, 依赖于这些有机质生存的动植物和微生物, 以及这些动植物和微生物产生的有机废弃物. 具体来说, 有机废弃物主要来源于农业、林业、畜牧业和市政等领域生产生活中产生的废弃物质. 中国拥有丰富的生物质资源, 2020年我国农林废弃物产生量达到11.79亿吨, 畜禽养殖废弃物达到18.68亿吨. 然而, 目前我国生物质资源化利用率低, 废弃生物质的不合理处置不仅会造成环境污染和碳排放, 同时也造成了生物质资源的严重浪费. 生物质中蕴藏的能量来源于太阳能, 其中的碳来源于光合作用固定的CO₂, 是理想的“零碳”能量和碳骨架来源. 因此, 大力推进生物质的高效资源化利用, 有利于缓解环境污染问题, 降低化石能源依赖及其带来的碳排放, 对于推动我国如期实现“碳达峰”和“碳中和”目标具有重要意义.

电活性微生物(electroactive microorganisms, EAMs)是一类能够直接或间接通过其细胞外膜上的蛋白质, 导电的细胞外结构(如纳米导线)以及电子中介体与外界进行胞外电子传递(extracellular electron transfer, EET)的微生物. 其中, EET包含电子从微生物转移到细胞外部电子受体的正向EET, 可实现化学能向电能的转换; 以及电子从胞外供体转移到微生物细胞内的反向EET, 可为EAMs生长以及高价值化学品的合成提供能量.

近年来, EAMs在驱动生物质资源化方面展现出巨大的潜力. 例如, 由正向EET驱动的微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)能够实现生物质能量的有效回收与污染物的高效处理; 反向EET驱动的微生物电发酵和微生物电合成(microbial electrosynthesis, MES)实现生物质碳资源的高值转化. 基于这些生物质的转化过程,不仅能够减少生物质废弃物处理的环境负担, 还实现了能量和碳资源的循环利用（见下图）.

随着分子生物学和材料科学的发展, 以及人们对EET机制的深入理解, EAMs驱动的生物质资源化利用, 展现了巨大的应用潜力. 因此, 本综述重点关注双向EET效率提高的多尺度调控策略及其在生物质能量回收利用与碳资源高值转化方面的应用, 并针对当前面临的挑战、发展方向以及未来的前景进行了展望, 以期为进一步推动生物质的高效资源化应用提供参考.