《Advanced Electronic Materials》：Living Electronics: Microbial Metabolism as Batteries, Resistors, and Capacitors
编辑推荐：
传统电子学依赖被设计为忽略周围环境的材料而获得可靠性；生命系统则依赖对周围环境作出响应的材料而获得韧性。研究人员在纸上集成了三种生物混合电路元件，将不同的微生物物种分别赋予能量产生、光响应电荷传输和电化学电荷存储功能。一个生物电池仅在休眠的 Bacill
传统电子学依赖被设计为忽略周围环境的材料而获得可靠性；生命系统则依赖对周围环境作出响应的材料而获得韧性。研究人员在纸上集成了三种生物混合电路元件，将不同的微生物物种分别赋予能量产生、光响应电荷传输和电化学电荷存储功能。一个生物电池仅在休眠的 Bacillus subtilis 孢子被供给营养并萌发时开启；一个生物电阻器的阻值由照射光合 Synechocystis 生物膜的光颜色和强度设定；一个生物电容器在呼吸型 Shewanella oneidensis 的氧化还原化学中存储电荷。将它们共打印在单张纸上，形成由生物活性而非固定材料常数支配的环境响应型活体电路——电池、电阻器和电容器。萌发使生物电池的峰值功率提高超过30倍；彩色光使电阻在96.7至6.4 kΩ间变化；电极间距调节0.762–2.173 mF的电荷存储量——因此，仅通过活体物质起作用的光即可编程电路充电快慢。值得注意的是，该细胞电路在设计可调的RC（resistor–capacitor，电阻—电容）规则下可重复充电，将光合作用作用光谱重塑为工程传递函数。其结果是一种可打印、一次性使用的电子学途径，由生命本身供电、调节和存储。
研究背景与问题：传统电子学以惰性、刚性材料构建，在受控条件下具有可重复性，但器件不能自主感知、适应环境，且依赖外部电源、分立无源元件和保护封装；当能源耗尽、环境超出设计窗口或保护层破损时，功能退化或失效。电子学向湿性、化学动态和生物活性场景拓展后，这种脆弱性成为根本障碍。微生物经长期进化可在极端条件生存，能快速重构生理，并具有代谢多样性，可通过胞外电子传递（extracellular electron transfer, EET）将代谢电子传递至电极，也可进行光合作用、氧化还原存储和休眠—萌发切换。已有微生物燃料电池、生物光伏、生物膜超级电容和软生物电子接口等，但多作为孤立电源、储能、传感或材料平台，缺少将不同微生物分配为电路基本单元并集成于可打印一次性架构的电路级框架。因此，研究人员提出并验证纸基活体电池—电阻—电容（battery–resistor–capacitor, BRC）电路。
研究开展与结论意义：研究人员在单张蜡图案化、丝网印刷纸上共图案化三种微生物：
Bacillus subtilis 168孢子作可萌发开启的生物电池，
Synechocystis sp. PCC 6803生物膜作光响应生物电阻，
Shewanella oneidensis MR-1生物膜作生物电容。结论是三种代谢不同微生物可作为可互操作电路元件；光照经生物电阻编程充电速率，电极间距编程电容，电路在RC规则下可重复充电。其意义在于把活体物质从外围换能器提升为电路参数决定者，为可打印、一次性、自供能且环境响应的活体电子学提供概念验证。
关键技术方法（不超过250字）：以Whatman 3 MM纸为基底，采用蜡图案化、CO
2激光切割和丝网印刷制备纸基器件与电路；以扫描电镜（SEM）观察纸内单种及混合生物膜；用循环伏安（CV）识别电化学响应区，用恒电流充放电（GCD）测电容，用不同负载下极化/功率曲线测生物电池输出，并在不同波长和强度光下测生物电阻及集成电路充电时间；所用菌株来源于American Type Culture Collection（ATCC）。
研究结果：2.1 纸基器件平台中增强的生物膜生长（Enhanced Biofilm Growth in Paper-Based Device Platforms）：通过培养与SEM观察到纸的毛细作用将细胞吸入厚度方向，短时间提高局部密度并促进群体感应；异养菌约2.5天成熟，蓝细菌约2周，混合膜可与快生伙伴共定植；纸同时作为生物支架和电子基底，将细胞密度与组织转化为电学增益。2.2 生物电池：设计、制备与表征（Biobatteries: Design, Fabrication, and Characterization）：通过横向PEDOT:PSS阳极、蜡分隔和PEDOT:PSS/Ag
2O阴极构建；孢子态电惰性，营养萌发后形成活跃生物膜；单电池开路电压约0.40 V，三串联约0.82 V、峰值功率约15 μW，孢子态约0.15 V和1 μW；说明代谢状态可作为生物编码开关。2.3 生物电阻：设计、制备与表征（Bioresistors: Design, Fabrication, and Characterization）：
Synechocystis膜桥接碳电极，光强和波长调控电阻；单种膜随光强增加电阻下降，红光最低、绿光最高、蓝/白居中，红绿对比约四倍；
S. oneidensis/
Synechocystis混合膜降低基线并显示更强EET氧化还原特征；无细胞和灭活对照呈高阻且无单调光依赖；说明光合作用作用谱可作为工程传递函数。2.4 生物电容：设计、制备与表征（Biocapacitors: Design, Fabrication, and Characterization）：
S. oneidensis膜作为活体介电/电解介质，C
total=C
EDL+C
redox；GCD显示1–4 mm间距平均电容分别为2.173、1.709、1.420、0.762 mF，灭活后仅微法级，100次循环保持约75%–85%；说明电极间距可编程存储电荷。2.5 集成微生物电池—电阻—电容（BRC）电路（Integrated Microbial Battery–Resistor–Capacitor (BRC) circuit）：通过单纸共制备三种菌电路，孢子萌发启动电源，光通过生物电阻调节充电，生物电容存储；0.10–0.15 V充电时间随光强降低，红最短、绿最长，4 mm低电容比2 mm快；符合一阶RC近似，但作者指出拟合电阻非独立验证；说明多物种可作为可互操作电路元件，据作者所知这是首次将多种微生物分配为单一集成电路基本元件的演示。
讨论与未来方向：作者指出当前电路仍为早期概念验证，需提升运行稳定性，如控制封装以保持水合和气体交换、利用可重新武装的孢子周期重置电源；需标准化校准和阻抗匹配，提高生物电阻在回路电阻中的占比以增强光学可编程性；需开展暗恢复、抑制剂和降解模式等机制研究；三物种联合膜、多层纸堆叠、空间定义菌群和基因工程改造也是后续方向。
研究结论翻译：研究人员实现了一个完整的活体电子电路，其中三种代谢不同的微生物作为单一纸基器件的电池、电阻和电容，将微生物生物电子学从孤立部件推进到集成、自供电系统。每个元件均提供可量化、由生物学调控的输出。营养触发的
Bacillus subtilis孢子萌发将电源从电惰性切换到活性状态，使单个生物电池的峰值功率从低于0.2 μW提高到约5.9 μW，三个串联时提高到约15 μW，构成生物门控的开/关开关。
Synechocystis sp. PCC 6803生物电阻器可由光连续编程，其电阻随强度和波长在96.7至6.4 kΩ间调节，并表现出约四倍的红/绿对比，反映蓝细菌作用光谱。
Shewanella oneidensis MR-1生物电容器通过耦合双电层和细胞色素介导的赝电容存储电荷，经电极几何调节达到0.762–2.173 mF，在100次循环中保持高达约84%的电容。集成后，这些元件形成电路，其电容充电时间既可通过生物电阻器进行光学编程，也可通过电容器进行几何编程——两个正交、完全生物学的控制轴在一个RC时间常数中复合。值得注意的是，尽管每个电路参数均源自活细胞，该活体电路在RC控制下仍可重复且系统性地充电，将光合作用作用光谱重塑为工程传递函数。通过将活体物质视为电子学的基本构建单元而非外围换能器，这项工作为即时诊断、现场传感和可持续能源系统提供了可打印、一次性使用的自供电、环境响应型活体电子学基础。
