可溶解的益生菌生物电池：一种安全且环保的短期能源解决方案

最近发表在《Small》杂志上的一篇文章描述了一种新型生物电池，该电池使用了15种商业益生菌混合物。这种设备基于水溶性或pH响应材料制成，在使用后会溶解并仅释放有益微生物。

背景

能量收集有多种方式，包括热电、太阳能、机械能和射频系统。其中，微生物燃料电池（MFCs）是一种有前途的选择，用于为短期或“临时”电子设备供电。这些设备依赖微生物通过其代谢活动将自然资源转化为电能。

微生物非常适合这一角色，因为它们能够在恶劣和变化的环境中生存。这使得它们在各种条件下都有用武之地。因此，微生物驱动的生物电池已被开发为短期和环保电子设备的自给电源。

然而，其中一些系统引发了健康风险方面的担忧。使用的微生物可能有毒，这意味着电池通常需要在使用后安全销毁，通常是通过焚烧处理。

为了避免这个问题，本研究引入了一种可溶解的生物电池，该电池使用益生菌。这些益生菌通常用于食品和补充剂，并被认为安全。

方法

研究团队使用了一种含有15种菌株的益生菌混合物，该混合物从商业来源购买。为了比较，他们还测试了常用的微生物燃料电池中的 Shewanella oneidensis MR-1。

细菌细胞使用2.5%的戊二醛在0.1 M磷酸盐缓冲盐水中固定在阳极上。混合物过夜孵育。然后，他们在水溶性纸上用蜡打印微流体图案。

阳极通过手工绘制HB级铅笔石墨，形成覆盖储液池的导电表面。阴极则以类似的方式用普鲁士蓝基迹线绘制。

为了延迟设备溶解的速度，他们在纸上涂覆了一层低pH敏感聚合物EUDRAGIT EPO。涂层均匀涂抹，确保整个表面被覆盖。这有助于控制电池何时激活以及持续多长时间。

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

电池的电输出通过数据采集系统进行了全面分析，确定了其开路电压（OCV）、电流-电压（I-V）特性以及功率输出。此外，阳极和阴极材料的电化学性质通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱进行了评估。

结果与讨论

测试表明，益生菌混合物能够发电。这些细菌是革兰氏阳性菌，意味着它们具有厚的细胞壁。这使得电子难以从细胞中移动出来。因此，它们的电子转移能力有限，但仍然可以测量。

在电化学测试中，研究人员观察到接近+0.1 V的氧化峰和接近-0.6 V的还原峰。这些值证实了细菌能够参与氧化还原反应。还原峰较强，表明反应主要是单向的。细菌要么保持还原状态，要么在还原化学品耗尽之前无法逆转。

单独的石墨电极产生的功率非常小。即使与强微生物如 S. oneidensis 配对，结果也很弱。为了解决这个问题，研究人员在阳极上添加了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的电力生成。这种材料选择使设备更适合短期、一次性应用。

最初，电池只能工作约30分钟。它也无法在潮湿环境中可靠地激活。添加EUDRAGIT EPO涂层解决了这两个问题。没有涂层的情况下，设备在水中15分钟后停止工作。

有了涂层后，它可以持续工作75分钟。当再涂一层外部涂层时，电池工作时间超过100分钟。然而，这额外的层略微降低了其峰值性能。

结论

这项研究表明，一种可溶解的、由益生菌驱动的生物电池可以作为短期使用的安全且环保的能源。通过使用益生菌作为活性微生物，该设备避免了其他类型生物电池相关的安全问题。

在阳极添加PPy-ZnO₂有助于增加电子转移。在阴极使用普鲁士蓝-MnO₂混合物提高了整体电池性能。该设备可以在更长的时间内提供电力，同时在使用后以可控方式分解。

这种方法可以支持新的临时系统，如医疗植入物、一次性传感器和环境监测工具。

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