由于人口增长和传统及不可再生资源的使用，环境问题日益严重，全球对可持续性的追求也愈发迫切（Venkata Mohan等人，2009；Shibata等人，2015；Gong等人，2024）。这一追求源于两个相互关联的问题：迫切需要从化石燃料转向可再生能源系统，以解决人为造成的环境污染问题，特别是氮循环的紊乱（Mohanakrishna等人，2020；Sivagami等人，2023）。农业径流会带来化肥、农药和沉积物等污染物，导致水生生态系统污染；未经处理的工业废水和灌溉则导致氮过量积累，破坏水生栖息地（Bashir等人，2020；Mishra等人，2023）。营养过剩会导致富营养化，进而恶化水质和生物多样性（Naik和Mohanakrishna，2024；Wang等人，2021；Yang等人，2008）。应对这些多重挑战需要开发创新的多功能技术，以实现清洁能源生产和受污染生态系统的修复，从而推动更加循环和可持续的生物经济发展（Osman等人，2024）。
全球对可持续性的需求推动了众多生物技术的发展，以应对这些双重挑战和能源危机。在生物技术中，植物微生物燃料电池（PMFC）是环境生物技术和可再生能源领域的创新进展（Ancona等人，2024；Chong等人，2025）。PMFC属于一种生物电化学系统，利用土壤中植物与微生物群落之间的自然共生关系产生生物电力。植物通过根系不断向根际土壤释放有机物质（如糖类、氨基酸和有机酸），这一过程源于光合作用（Chiranjeevi等人，2012；Koo等人，2005；Ma等人，2022）。根系分泌物为根际中的电活性细菌提供电子供体，并转化为电能和二氧化碳（CO2）。通过微生物氧化释放的电子随后传输到阳极，再通过外部电路到达阴极。阴极位于有氧环境中，与阳极形成对比（Ancona等人，2024；Chiranjeevi等人，2019）。与传统的MFC相比，PMFC具有持续稳定的电子供体供应，因此具有优势（Roy等人，2023）。此外，基于MFC的系统的实际可行性受到高资本成本的制约，反应器配置和电极材料是主要的经济负担。相比之下，PMFC通过无需昂贵的质子交换膜即可实现原位电极部署，从而扩展了其在非沼泽生态系统中的分散式和可扩展能源回收潜力（Nitisoravut和Regmi，2017）。
除了主要功能外，PMFC还深度参与土壤中的氮转化过程，包括硝化、反硝化和铵的吸收。这些反应均发生在根际-电极界面，对调节植物生长和废水处理至关重要（Chong等人，2025）。Nitrosomonas、Nitrobacter和Pseudomonas与产电细菌（如Geobacter和Shewanella）共同参与氮循环（Das等人，2022；Mosley等人，2022）。这些相互关联的反应通过消除废水中的有害成分来促进植物生长，构成了一个多功能平台。然而，关于PMFC的研究仍较为有限。大多数研究集中在优化电极材料、微生物富集和植物选择以提高发电量上。也有研究探讨了PMFC的氮去除能力，因此需要更广阔的视野，将PMFC视为一个集成的能源生产和可持续环境系统。将PMFC从实验室原型发展为可扩展的多功能系统对于实现可持续发展至关重要。
当前文献（2023–2025年）聚焦于解决PMFC可扩展性和长期可持续性的主要研究空白。Arliyani等人（2024）展示了混合构建湿地微生物燃料电池（CW-MFC）系统在处理渗滤液和农业废水方面的潜力，表现出更好的污染物去除效果（COD/氮：25–40%）和更高的生物电力产量（10–20 mW/m2）。这得益于经过生物炭处理的电极，它们在根际区域形成了更好的生物膜，并通过植物-微生物间的协同作用降低了欧姆损耗。Naha等人调查了MFC研究的最新进展，指出使用Phragmites构建的屋顶型PMFC通过堆叠技术降低了内部电阻40%，一年后电压恢复率提高了85%，但阴极污染程度增加了2–3倍（Naha等人，2023）。Bose等人探讨了PMFC在户外应用中的商业化可能性（Bose等人，2025）。管状结构的PMFC效率提高了2.5倍（最高达28%），并且由于自清洁水动力原理，维护成本降低了30%，尤其是在温度<6°C且废水成分多变的情况下。Gupta等人研究了其他类型的MFC，指出尽管试点系统的功率损失达50–70%，但PMFC的协同效应仍能带来额外的可持续性收益（Gupta等人，2023）。
PMFC的多功能性使其与多个联合国可持续发展目标（SDGs）高度契合。本文全面概述了PMFC，特别强调了其在氮代谢和电力生产中的双重作用，并探讨了其对实现全球可持续发展目标的贡献。文章首先介绍了PMFC的工作原理，特别是植物-微生物-电极之间的相互作用，随后探讨了PMFC如何促进氮循环。还讨论了与相关SDGs的对齐情况，强调了PMFC作为多功能技术的重要性。
