益生菌生物电池：可溶解技术的前沿探索

来自 实验室仪器网

最近科研人员研究的了一种新型生物电池，它使用了15种益生菌菌株的商业混合物。该装置采用水溶性或pH响应材料制成。使用后，它会溶解并仅释放有益微生物。

获取能量的方法有很多，包括热电、太阳能、机械能和射频系统。其中，微生物燃料电池(MFC)是为短期或“瞬时”电子设备供电的一种很有前景的选择。这些设备依靠微生物通过其代谢活动将自然资源转化为电能。

微生物非常适合承担这一角色，因为它们能够在恶劣多变的环境中生存。这使得它们在各种条件下都能发挥作用。因此，微生物驱动的生物电池已被开发为短期环保电子产品的独立电源。

然而，其中一些系统引发了人们对健康风险的担忧。所使用的微生物可能有毒，这意味着电池在使用后通常必须安全销毁，通常是通过焚烧。

为了避免这个问题，该研究引入了一种利用益生菌的可溶解生物电池。益生菌常用于食品和补充剂中，并且被认为是安全的。

研究团队使用了一种含有15种菌株的益生菌混合物，该混合物购自商业渠道。为了进行比较，他们还测试了一种用于燃料电池的著名微生物——希瓦氏菌（Shewanellaoneidensis）MR-1。使用2.5%戊二醛和0.1M磷酸盐缓冲液将细菌细胞固定在阳极上。将混合物孵育过夜。然后，他们用蜡将微流体图案打印到水溶性纸上。

阳极采用HB级铅笔石墨手工绘制，在储液器上方形成导电表面。阴极采用类似方法绘制的普鲁士蓝基线。

为了延缓装置溶解的速度，他们在纸上涂上了一种名为EUDRAGITEPO的低pH敏感聚合物。涂层被均匀涂抹，以确保覆盖整个表面。这有助于控制电池的激活时间和续航时间。

为了提高性能，团队在两个电极上都使用了额外的材料。阳极涂覆了聚吡咯(PPy)和氧化锌(ZnO₂)的混合物，阴极则使用了普鲁士蓝和二氧化锰(MnO₂)的混合物。

利用数据采集系统全面分析电池的电输出，确定其开路电压(OCV)、电流-电压(IV)特性和功率输出。此外，还利用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱评估了阳极和阴极材料的电化学性质。

测试表明，益生菌混合物能够产生电能。这些细菌是革兰氏阳性菌，这意味着它们的细胞壁很厚。这使得电子更难从细胞中移出。因此，它们转移电子的能力有限，但仍然可以测量。

在电化学测试中，研究人员观察到氧化峰接近+0.1V，还原峰接近-0.6V。这些值证实了细菌可以参与氧化还原反应。还原峰更强，表明该反应主要是单向的。细菌要么保持还原状态，要么在逆转之前耗尽还原态的化学物质。

石墨电极单独使用时产生的电能非常小。即使与像S.oneidensis这样的强效微生物配对，效果也很弱。为了解决这个问题，研究人员在阳极中添加了PPy-ZnO₂。

这提高了导电性，并有助于支持活性较低的益生菌菌株发电。这种材料的选择使该设备更适合短期、一次性使用。

最初，电池只能工作约30分钟。在潮湿环境下也无法可靠地激活。添加EUDRAGITEPO涂层有助于解决这两个问题。如果没有这种涂层，该设备在水中15分钟内就会停止工作。

有了涂层，电池续航时间最长可达75分钟。当涂上第二层外涂层时，电池续航时间超过100分钟。然而，这层额外的涂层略微降低了电池的峰值性能。

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