电极氧化对微生物电化学系统中电活性细菌的意外抑制效应：L-精氨酸电聚合过程中的关键发现

本研究针对微生物电化学系统(MES)中电极氧化(EO)对电活性细菌(EAB)的潜在影响展开探索，通过区分L-精氨酸(LA)电聚合过程中聚精氨酸(PLA)形成与碳布氧化的时序关系，首次揭示EO虽增加电化学活性表面积(ECSA)却显著抑制EAB生物膜形成与富集。该发现为电极改性工艺优化提供重要指导，相关成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

　　

微生物电化学系统(Microbial Electrochemical Systems, MES)被誉为环境与能源领域的"跨界明星"，它能利用电活性细菌(Electrochemically Active Bacteria, EAB)的胞外电子传递(Extracellular Electron Transfer, EET)能力，将废水中的有机物转化为电能。然而这个"微生物电厂"始终面临发电效率低的瓶颈——混合培养EAB的电流密度仅9.9-400 A/m²
，纯培养体系甚至不足9.9 A/m²
。究其原因，细菌与电极间的静电排斥严重阻碍生物膜形成。

为解决这一难题，北京理工大学的研究团队曾开发出L-精氨酸(L-arginine, LA)电聚合改性技术，通过增加电极正电性显著提升EAB附着。但在后续研究中意外发现，该过程会伴随碳布电极氧化(Electrode Oxidation, EO)，这种"双刃剑"效应此前从未被系统评估。发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的最新研究首次揭示：EO虽能提升电极导电性，却会彻底抵消聚精氨酸(PLA)对EAB的促进作用，甚至完全抑制混合培养体系的产电能力。

研究团队通过循环伏安法(CV)结合X射线光电子能谱(XPS)区分了LA电聚合的两个阶段：初期形成含氮聚合物的PLA阶段（1-5次CV循环），后期以碳布氧化为主的EO阶段（6-15次循环）。傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实EO会引入大量C=O基团，这些氧官能团与EAB丰度呈显著负相关。在纯培养实验中，EO使Geobacter sulfurreducens的生物量下降38.7%，细胞活性降低42.1%；而对混合培养体系的影响更为剧烈——不仅导致EAB相对丰度从71.3%骤降至9.8%，更使产电能力完全丧失。

主要技术方法
研究采用三电极体系（碳布工作电极/铂对电极/Ag/AgCl参比电极）进行LA电聚合，通过XPS、FTIR表征表面化学组成，电化学阻抗谱(EIS)评估导电性，激光共聚焦显微镜(CLSM)量化生物膜，高通量测序分析微生物群落，结合皮尔逊相关性分析揭示功能基团与EAB活性的关系。

研究结果
Differentiation between PLA and EO
CV扫描显示前5次循环主要形成PLA（N含量提升14.70%），后期EO占主导（O含量增加13.56%）。EO使电化学活性表面积(ECSA)扩大28.7%，但接触角测试表明亲水性过强反而不利EAB附着。

Effects on pure-cultured EAB
PLA改性使Geobacter生物量提升2.1倍，而EO改性组ATP含量较PLA组下降57.8%，说明氧官能团可能干扰能量代谢。

Effects on mixed-cultured EAB
EO使微生物群落多样性指数(Shannon)升高1.8倍，但EAB关键菌属（如Geobacter、Shewanella）丰度锐减82.4%，产电菌被非电活性菌替代。

Interpretation of EO inhibition
Zeta电位分析显示EO使电极表面负电荷增加，静电排斥增强；皮尔逊分析指出C=O基团与EAB丰度相关系数达-0.89（p<0.01），可能是抑制主因。

结论与意义
该研究首次阐明LA电聚合中PLA与EO的竞争关系，揭示EO通过增加C=O基团破坏EAB富集的分子机制。这一发现颠覆了传统认知——尽管EO能提升电极导电性，但其对EAB的抑制作用远超过正面效应。研究建议未来电极改性应控制在5次CV循环内以避免EO，为MES性能优化提供新范式。团队提出的"功能基团-微生物界面互作"分析框架，也为理解生物电化学系统中的电极-微生物相互作用开辟了新视角。