被忽视的利用壳聚糖通过电化学活性细菌进行发电的潜力

《Talanta》：The Overlooked Promotion of Electricity Generation by Electrochemically Active Bacteria using Chitosan

　　

徐美一|王宝国|潘月|罗爱琴|于登斌|岳毅|罗俊晓|梅碧仙

北京工业大学生命科学学院，中国北京100081

摘要

使用纳米材料修饰电极可以提高电化学活性细菌（EAB）的附着能力及其发电量。尽管壳聚糖（CTS）是最常用的纳米材料分散剂，但其对EAB的影响仍不明确。本研究系统地探讨了电沉积CTS对EAB发电量的影响，并阐明了其背后的生物学机制。结果表明，与未经修饰的电极相比，含有电沉积CTS的改性碳布电极产生的电量增加了14.19倍。这种发电量的提升主要归因于导电性的轻微改善和生物量的显著增加。CTS电沉积时间与发电量增强之间的关系呈倒U形，最佳电沉积时间为10分钟。当电沉积时间少于10分钟时，氨基含量不足，无法促进EAB的附着；相反，过长的电沉积时间会将氨基转化为吡啶氮，从而减弱EAB的附着能力。未来关于EAB用电极改性的研究应更加关注CTS的添加，并区分CTS和纳米材料对发电量提升的贡献。

引言

电化学活性细菌（EAB）是一种具有独特能量代谢途径和细胞外呼吸能力的环境微生物[1]。EAB产生的电能对于开发紧凑型可持续电源系统（如远程传感器或可穿戴设备）具有巨大潜力[2][3]。基于EAB的生物传感器可以检测水质（如毒性）和生化需氧量，因为生物电信号的产生与细胞代谢相关[4][5][6]。通常使用成熟的EAB生物膜，因为它们产生的电信号较强；然而，培养需要几天或几周的时间[7][8]，这限制了其在某些场景中的应用（如即时检测）。尽管早期EAB生物膜的制备时间较短，但其产生的电信号相对较弱[9][10]。因此，需要进一步研究以确定如何快速获得高发电量。

已经采用了多种电极修饰技术来提高EAB的发电量。最常见的方法是使用纳米材料（如碳纳米管和石墨烯）来增加EAB的比表面积和生物量[11][12]。此外，使用导电聚合物进行电极修饰也非常普遍。导电聚合物的独特结构可以增加比表面积、促进细胞与电极之间的电子转移效率，并提高电极表面的亲水性[13][14]。最近，金属氧化物修饰作为一种新型且低成本的策略出现，可作为氧化还原介质加速异质电子转移[15][16]。值得注意的是，这些电极修饰方法都使用了壳聚糖（CTS），因为它可以防止纳米材料聚集并提高生物相容性。然而，由于CTS与修饰材料同时使用，CTS对EAB的影响及其背后的机制尚不清楚。

CTS对EAB的影响可能很复杂。首先，CTS含有氨基，在酸性环境中（pH <6.5）会发生质子化。氨基的质子化预计会增加电极表面的正电荷，提高电极的电负性，促进EAB的附着并增加生物量[17][18][19]。CTS的抗菌特性依赖于氨基的质子化[20]。例如，0.50 mg/mL的CTS可以抑制大肠杆菌的生长[21]，因为CTS通过静电作用与细菌细胞壁紧密结合，导致细胞膜中的脂质层紊乱[22]。大多数EAB是革兰氏阴性菌，CTS对革兰氏阴性菌的结合选择性更高[23]。其次，CTS可以改善电极表面的光滑度，从而提高EAB细胞与电极之间的接触[12]。然而，CTS的导电性较差。电极表面过量的CTS沉积可能会阻碍异质电子转移[24]。最后，CTS可能会占据碳纤维之间的孔隙，缩小物质传输通道，降低底物传输的效率[25]。因此，需要系统地研究CTS对EAB发电量的影响及其背后的机制。

本研究系统地探讨了CTS沉积对EAB发电量的影响，并阐明了其生物学机制。首先，使用原位电沉积法对电极表面进行CTS修饰，并评估了其对EAB发电量的影响。随后，通过测量电化学活性、EAB生物量和能量代谢水平，分析了不同电沉积时间对EAB发电量的影响。最后，研究了电沉积时间对电极表面性质的影响，即通过测量导电性、亲水性、ζ电位和电极表面的官能团来评估CTS调节EAB附着的能力。

章节摘录

壳聚糖的电泳沉积

首先构建了三电极电化学电池（ECs），每个EC的工作体积为50 mL。每个EC由工作电极（WE）、对电极（CE）和参比电极（RE）组成。其中，WE是一块2厘米×2厘米的碳布（WOS1009，Carbon Energy Co.，中国）；CE是一块2厘米×2厘米×1毫米的铂片（R0303，上海楚曦工业有限公司）；RE是Ag/AgCl电极（R0303，上海楚曦工业有限公司）

电沉积的壳聚糖促进EAB的发电

CTS电沉积后，出现了两个明显的红外峰，分别位于1,090 cm^?1和1,550 cm^?1，且随着电沉积时间的延长而变得更加明显（图1a）。这两个峰分别代表CTS中的C–O键和质子化的氨基，表明CTS在碳布表面发生了原位沉积[15][27]。XPS结果显示，N和O的含量从2.45% ± 0.04%和7.08% ± 0.40%分别增加到8.14% ± 0.66%和25.34% ± 0.18%

结论

CRediT作者贡献声明

梅碧仙： 数据分析。罗晓军： 数据分析。罗爱琴： 监督。潘月： 数据分析。岳毅： 文章撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学设计、实验设计、资金申请、数据管理。于登斌： 数据分析。王宝国： 数据分析。徐美一： 数据分析

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

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