《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhancing Microbial Adhesion and Electron Transfer of
Shewanella oneidensis MR-1 with Polyaniline-Glucose-Gelatin Coating for Bioelectrochemical Applications
编辑推荐：
微生物燃料电池电极表面通过聚苯胺、葡萄糖和明胶多层复合改性，显著提升生物膜形成效率（90.2±0.2%）和电荷存储容量（174.9±10.2 mC/cm2），较裸电极提高50倍，证实协同效应优于单一改性策略。
Kamran Ayaz | Ewa Zab?ocka-Godlewska | Abdullah | Sara Shakibania | Taral Patel | Krzysztof Karoń | Katarzyna Krukiewicz
空气保护系，能源与环境工程学院，西里西亚工业大学，Konarskiego 22B，44-100 Gliwice，波兰
摘要
通过电极改性来提高生物电化学性能对于推进微生物燃料电池（MFC）技术至关重要。本研究探讨了使用聚苯胺（PANI）、葡萄糖和明胶对生物膜形成、电荷转移和微生物存活率的影响。循环伏安法测试结果表明，与裸露的碳布-生物膜系统（CC.G.B）相比，经过PANI-葡萄糖-明胶改性的碳布（MCC.B）在最大电流和电荷转移电阻方面表现出更好的性能，无论是否存在溶解的葡萄糖。生物膜存活率研究显示，CC.G.B主要支持浮游生长，限制了细菌的附着；而MCC.B则实现了最高的生物膜形成率（90.2 ± 0.2%）和电荷储存能力（174.9 ± 10.2 mC/cm2），这比裸露的碳布系统（3.3 ± 0.3 mC/cm2）提高了约50倍，突显了表面改性和微生物活性的协同作用。这些发现表明，MCC.B通过优化细菌附着和营养物质的可利用性促进了细胞外电子转移，使其成为缩短启动时间和提高早期生物电电极性能的有希望的候选材料，尽管其长期稳定性仍有待验证。这项工作为下一代微生物电化学技术中的电极工程策略提供了新的见解。
引言
微生物燃料电池（MFC）通过利用产电细菌将有机物转化为电能，为可持续能源生产和废水处理提供了一种有前景的方法，代表了环保的发电方式[1]。已在MFC中使用了多种细菌物种，如大肠杆菌DH5α、Geobacter sulfurreducens KN400、Rhodopseudomonas palustris DX1、Shewanella putrefaciens [2]、[3]，特别是Shewanella oneidensis MR-1，这些细菌能够促进电子向电极的直接和间接转移[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。跨膜电子传输涉及周质空间和外膜中的各种细胞色素[9]，而细胞外电子转移（EET）则通过直接接触或氧化还原介质辅助途径发生[8]。
尽管MFC作为由多种生物底物驱动的可持续能源来源[10]，以及废水处理、海水淡化和生物修复的环保支持手段而受到重视，但其性能常常受到生物膜形成缓慢、电荷转移效率低下和启动周期长的限制（可能长达40天[12]）。主要采用三种策略来克服这些实施障碍：电极改性、细胞结构优化和应用外部电位。其中，最常探索的方法是通过暴露于细菌的电极表面改性来提高整体性能和功率输出。由于产电细菌主要用于氧化反应，阳极是微生物附着和从底物转移电子的主要位置，其材料组成对MFC的性能和成本起着重要作用[13]。因此，阳极材料的改性通常旨在通过促进微生物生长来提高生物相容性和电子迁移率。迄今为止，已经做出了大量努力来通过使用多孔碳电极[14]、[15]、[16]、[17]、用导电聚合物涂层[10]、[17]、[18]、Fe–N、N或S掺杂[19]、[20]以及整合金属纳米颗粒[21]、[22]来增强电子转移。导电聚合物（如聚苯胺（PANI）因其优异的电导率和稳定性而广受认可，被认为能够提高电极性能，使其成为MFC应用的理想选择[9]、[23]。它们的生物相容性进一步支持了在生物电化学系统中的使用，实现了有效的电荷转移和稳健的性能[24]。与其他改性策略不同，使用导电聚合物进行电极改性不需要高温合成、金属前体或多步骤制造过程，这些因素通常会影响其生物相容性或可扩展性。
先前的研究表明，PANI改性的碳布阳极可以提高MFC系统的导电性和功率输出，但这些设计通常依赖于单一的PANI层，并且没有在生物膜-电极界面处引入限定的碳源[25]、[26]、[27]。例如，Abdullah等人[28]使用葡萄糖对PEDOT:PSS进行了功能化处理以改善Shewanella oneidensis MR-1的附着，但碳源在培养基中是自由可用的，且未量化长期电化学稳定性。另一项最近的研究[29]将缓释碳源嵌入聚合物凝胶中并放置在阳极液中，而不是直接在电极表面，这提高了功率输出，但没有同时优化导电和生物活性界面。
在这项工作中，我们提出了一种多功能PANI-葡萄糖-明胶三层生物阳极，该阳极由依次涂覆的碳布电极组成：(i) 提供导电和氧化还原活性支架的PANI底层；(ii) 在电极表面提供限定碳源的固定葡萄糖层；(iii) 促进初始细菌附着并控制葡萄糖释放时间的可降解明胶顶层。这种方法的新颖之处不在于单独使用PANI、葡萄糖或明胶，而在于它们被合理地集成到多层结构中，共同优化了生物膜-电极界面处的导电性和局部碳源的可用性。这种配置与之前报道的阳极设计[28]、[29]不同，后者通常只使用单一导电聚合物层或批量添加的碳源，没有空间控制。通过将碳源限制在电极表面，并将其与氧化还原活性的PANI支架和可降解的明胶顶层结合，这种配置实现了真正的协同效应。据我们所知，之前没有研究直接在阳极表面将PANI、葡萄糖和明胶集成到空间编程的三层结构中。改性的电极通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）进行了表征。我们的发现表明，PANI-葡萄糖-明胶涂层显著增强了电荷转移并支持了稳健的生物膜形成，为优化MFC技术提供了宝贵的见解。
化学品和试剂
本研究使用了分析级试剂。苯胺（99.5%）购自Acros Organics（比利时），葡萄糖和明胶粉来自VWR Chemicals（美国）。结晶紫和LB肉汤来自Sigma Aldrich（美国）。其他试剂包括NaCl、琼脂、去离子水（dH?O，电导率约0.05 μS/cm）、磷酸盐缓冲盐水（PBS：137 mM NaCl、2.7 mM KCl、8 mM Na?HPO?和2 mM KH?PO?，pH 7.4）、甲醇、醋酸、戊二醛和乙醇。
电极改性
尽管使用聚苯胺改性碳布电极已在多种应用中得到广泛研究，如增强微生物附着、废水处理、超级电容器和提升电能[25]、[26]、[27]，但这种方法也存在一些局限性。聚苯胺改性电极的一个根本缺陷是细菌附着能力较差[31]、[32]、[33]，需要定制的界面工程来优化生物膜-电极之间的相互作用。
结论
本研究展示了电极表面改性对微生物燃料电池中细菌存活率、生物膜形成和电化学性能的影响。广泛使用的碳布电极材料通过PANI、葡萄糖和保护性明胶层的改性，增强了微生物附着和明显的界面电荷转移行为（如R?/j?和CSC所示）。这种三步改性方法为碳布电极提供了特定的...
资助
本研究得到了西里西亚工业大学卓越计划-研究型大学项目（32/014/SDU/10-21-05）和该校空气保护系的资助（资助编号BKM - 700/RIE2/2024, 08/020/BKM24/0042）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本研究部分由波兰国家科学中心（Preludium Bis-2021/43/O/ST5/02623）资助。为了实现开放获取，作者对由此提交的任何接受的手稿版本应用了CC-BY公共版权许可。
