Highly conductive PBFDO network bridging biofilm and electrode interface for electron capture and transfer in microbial electrochemical system
高导电PBFDO网络桥接生物膜与电极界面用于微生物电化学系统中的电子捕获与转移
来源：Chemical Engineering Journal 520 (2025) 166160
1.摘要
微生物电化学系统（MES）是兼具废水处理和能源回收功能的革命性绿色平台，但其发展受限于生物-非生物界面电子转移效率低下和能量转换率不足的瓶颈。导电聚合物因结构可调、导电性优异且生物相容性良好，成为强化微生物-电极相互作用的理想界面修饰材料。本研究首次将创纪录导电率（2000 S cm⁻¹）的n型聚合物聚苯并二呋喃二酮（PBFDO）应用于MES阳极构建，其形成的导电网络可同时承担界面电荷转移介质和电子收集器的双重功能。通过调控PBFDO负载量优化电荷隧穿通道厚度，建立了电子转移效率与产电性能的构效关系。最优的n-HCP4修饰阳极功率密度达2182±27 mW m⁻²，较未修饰碳布提升41%，性能超越现有所有导电聚合物修饰阳极。PBFDO修饰展现出优异的生物相容性，促进了活性更高、空间分布更均匀的电活性生物膜形成，并选择性富集了丰度达65.2%的地杆菌属（Geobacter sp.）。PICRUSt2功能预测表明，PBFDO修饰可上调细胞色素c相关基因的拷贝数，进一步强化胞外电子传递（EET）过程。本研究揭示了高导电聚合物在促进电活性菌与电极间界面电子收集和转移方面的巨大潜力，为优化MES电子传递过程和提升系统性能提供了重要理论依据和技术支撑。
2.关键词（中文）
高导电聚合物、电子转移网络、电子收集、界面电荷转移、无粘结剂修饰、微生物电化学系统
3.研究目的
一是首次将超高导电n型聚合物PBFDO引入微生物电化学系统的阳极界面修饰，构建兼具高效电子收集和转移功能的生物-非生物界面导电网络；二是系统探究PBFDO负载量对电极理化性质、电化学性能及生物电化学行为的影响规律，优化电荷隧穿通道的厚度，明确材料性能与系统产电效率的构效关系；三是从材料电化学特性、生物膜形成、微生物群落结构和功能基因表达多个层面，揭示PBFDO强化界面电子转移的内在机制；四是开发出高性能、低成本、易规模化的MES阳极修饰技术，显著提升系统的能量转换效率和产电性能，为MES的实际工程应用提供技术解决方案。
4.研究思路
首先采用无粘结剂滴涂法，在预处理后的碳布表面负载不同量的PBFDO（0、0.2、0.4、0.6、0.8 mg cm⁻²），制备得到n-HCP0至n-HCP8系列修饰电极；通过扫描电子显微镜（SEM）、接触角测试仪表征电极的表面形貌和亲水性，利用三电极体系进行循环伏安（CV）、电化学阻抗谱（EIS）等测试，系统分析裸电极的导电性、氧化还原活性、比电容和电活性表面积等电化学特性。随后将各修饰电极作为阳极构建双室MES反应器，在恒电位（+0.2 V vs. Ag/AgCl）模式下连续运行40天，实时监测输出电流变化；待生物膜成熟后，通过线性扫描伏安法（LSV）、EIS、周转/非周转CV、微分脉冲伏安法（DPV）等电化学手段，全面评估生物阳极的产电性能、电荷转移阻力和电子传递动力学。接着通过SEM、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、BCA蛋白定量、16S rDNA高通量测序等技术，分析生物膜的形貌结构、细胞活性、生物量及微生物群落组成；利用PICRUSt2软件基于16S rDNA数据预测功能基因丰度，解析PBFDO对胞外电子传递相关代谢通路的调控作用。最后整合所有实验数据，阐明PBFDO强化MES性能的多重机制，确定最优的PBFDO负载量。
5.研究亮点
一是首次实现了超高导电n型聚合物PBFDO在MES阳极中的应用，其2000 S cm⁻¹的导电率远超传统导电聚合物，最优修饰阳极的功率密度达2182 mW m⁻²，较未修饰碳布提升41%，刷新了导电聚合物修饰MES阳极的性能记录；二是揭示了PBFDO的双重作用机制：既通过连续的π-电子离域体系构建高导电网络实现高效电子收集，又凭借丰富的氧化还原活性位点作为电子转移介质，同时促进直接电子传递（DET）和间接电子传递（IET）过程；三是发现PBFDO修饰具有优异的生物相容性和微生物选择性，能显著促进电活性生物膜的形成，将地杆菌属的相对丰度从53.1%提升至65.2%，并上调细胞色素c、IV型菌毛等关键EET相关基因的表达；四是明确了PBFDO负载量的阈值效应，低负载量（≤0.4 mg cm⁻²）通过增加活性位点和导电性提升性能，高负载量（>0.6 mg cm⁻²）则因膜过厚阻碍离子扩散和营养传递导致性能下降，为导电聚合物修饰电极的优化提供了量化指导；五是采用简单的无粘结剂滴涂法制备修饰电极，无需复杂设备和高温处理，工艺绿色环保、成本低廉，具有良好的规模化应用前景。
6.可延伸方向
一是通过分子设计对PBFDO进行功能化改性，如引入亲水基团、掺杂杂原子或与其他导电单体共聚，进一步提高其导电性、生物相容性和氧化还原活性；二是构建PBFDO与碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒等的复合修饰层，利用协同效应构建多级结构导电网络，进一步提升电极的电化学性能和生物膜附着能力；三是探索PBFDO在MES阴极修饰中的应用，开发阴阳极双修饰的高性能MES系统，同时强化阴极还原反应（如产甲烷、脱氮、重金属还原）；四是利用原位电化学表征技术（如原位拉曼光谱、原位原子力显微镜、原位荧光光谱），实时动态监测PBFDO-生物膜界面的电子转移过程和生物膜生长过程，从分子和纳米尺度揭示其作用机制；五是将PBFDO修饰阳极应用于实际工业废水、生活污水的中试规模MES处理，评估其长期运行稳定性、抗冲击负荷能力和经济性；六是拓展PBFDO在其他生物电化学系统中的应用，如微生物电解池（MEC）、微生物电合成（MES）、微生物传感器和生物电池等。
7.测量的数据及研究意义
测定了不同PBFDO负载量修饰电极的表面微观形貌，数据来自图S1。意义：直观展示了PBFDO在碳布纤维表面的分布状态，发现低负载量时PBFDO形成连续薄膜桥接相邻碳纤维，增加了电极表面粗糙度和电子传导路径；高负载量时聚合物膜过度增厚，填充了碳纤维间的凹槽，降低了表面粗糙度，为理解电极性能的变化提供了形貌学依据。
测定了不同修饰电极的水接触角，数据来自图S2。意义：定量证明PBFDO修饰显著改善了碳布的疏水性，接触角从n-HCP0的125.2°±1.87°降至n-HCP8的112.4°±0.01°，亲水性的提升有利于微生物在电极表面的附着和生物膜的形成。
测定了不同裸修饰电极的电化学阻抗谱（EIS），数据来自图1a。意义：定量分析了电极的欧姆电阻和电荷转移电阻，发现PBFDO修饰使欧姆电阻从3.4±0.29 Ω降至2.50±0.11 Ω，电荷转移电阻从13.7±1.12 Ω大幅降至1.2±0.34 Ω，直接验证了PBFDO的高导电性和优异的界面电子转移能力。
测定了不同裸修饰电极在50 mM PBS溶液中的循环伏安（CV）曲线，数据来自图1b。意义：发现PBFDO修饰电极出现了多个明显的氧化还原峰，表明其具有丰富的氧化还原活性位点，可作为电子转移介质参与界面反应；同时计算得到n-HCP4的比电容最高（145±5.85 F g⁻¹），具有良好的赝电容特性，有利于电荷的快速存储和释放。
测定了不同裸修饰电极在K₃[Fe(CN)₆]溶液中的CV曲线，数据来自图1c。意义：计算得到电极的电活性表面积（ECSA），发现随着PBFDO负载量增加，ECSA从n-HCP0的14.5±1.25 cm²增至n-HCP8的21.9±0.17 cm²，表明PBFDO修饰显著增加了电极的反应活性位点数量。
测定了不同裸修饰电极在0.5 mM核黄素溶液中的CV曲线，数据来自图1d。意义：证明PBFDO能与生物电子转移介质核黄素发生强相互作用，促进核黄素的氧化还原反应，表明其可有效强化核黄素介导的间接电子传递过程。
测定了不同裸修饰电极在不同扫描速率（0.2-1.0 mV s⁻¹）下的CV曲线，并拟合得到峰值电流与扫描速率的b值，数据来自图2。意义：揭示了电极反应的动力学控制机制，发现当PBFDO负载量≥0.4 mg cm⁻²时，b值接近1，表明反应以表面控制为主，具有显著的赝电容特性，有利于快速的电子转移和电荷传递。
测定了MES反应器运行40天过程中的输出电流密度变化曲线，数据来自图S3a。意义：监测了生物膜的驯化和成熟过程，发现n-HCP4阳极的峰值电流密度最高（8.2±0.12 A m⁻²），表明其能更快地形成成熟且高活性的电活性生物膜。
测定了MES运行过程中阳极液和阴极液的pH变化，数据来自图S3b。意义：验证了反应器在整个运行周期内pH保持稳定，排除了pH波动对系统产电性能的干扰，确保了实验结果的可靠性。
测定了不同生物阳极的极化曲线和功率密度曲线，数据来自图3a。意义：定量评估了系统的产电性能，证明n-HCP4阳极的最大功率密度达2182±27 mW m⁻²，较未修饰的n-HCP0提升41%，是目前已报道的导电聚合物修饰MES阳极的最高性能之一。
测定了不同电流密度下的阳极电位和阴极电位变化曲线，数据来自图3b。意义：揭示了系统的电位损失主要来源于阳极，PBFDO修饰显著降低了阳极的过电位，是系统产电性能提升的主要原因。
测定了不同生物阳极的EIS谱，并拟合得到内阻组成，数据来自图3c和图S4。意义：证明PBFDO修饰使生物阳极的电荷转移电阻降低了51%以上，验证了其能有效强化生物膜与电极之间的界面电子转移。
测定了不同生物阳极的周转CV曲线，并采用Nernst-Monod模型进行拟合，数据来自图3d。意义：得到了生物阳极的最大电流密度和半饱和电位（EKA），发现PBFDO修饰使EKA从-0.367 V降至-0.251 V，表明其从动力学上促进了电子从电活性生物膜向阳极的转移。
测定了不同生物阳极在不同扫描速率（1-15 mV s⁻¹）下的非周转CV曲线，数据来自图4a-e。意义：揭示了生物阳极的电子转移机制转变，未修饰电极的反应以表面控制为主，而PBFDO修饰电极的反应逐渐向扩散控制转变，表明间接电子传递的贡献显著增加；同时计算得到表观电子转移系数（CT Dapp¹/²）提高了4倍，证明电子传递效率大幅提升。
测定了不同生物阳极的微分脉冲伏安（DPV）曲线，数据来自图4g。意义：识别了生物膜中的氧化还原活性组分，发现PBFDO修饰后出现了地杆菌属特有的多血红素细胞色素c的氧化还原峰，直接证明了其选择性富集了电活性菌。
测定了不同生物阳极表面生物膜的SEM形貌，数据来自图5a。意义：直观展示了PBFDO修饰电极表面形成了更致密、更均匀的生物膜，聚合物桥接了相邻的碳纤维和生物膜细胞，构建了连续的导电网络，促进了长距离电子传递。
测定了不同生物阳极的活/死细菌CLSM三维图像，数据来自图5b。意义：定性和定量分析了生物膜中的细胞活性，发现n-HCP4阳极的活细菌比例最高（58%），且生物膜的空间分层现象减弱，表明PBFDO改善了生物膜的通透性，有利于营养物质和代谢产物的传递。
定量分析了生物膜的细胞活性和蛋白质含量（生物量），数据来自图5c、5d。意义：证明PBFDO修饰显著提高了生物膜的生物量，n-HCP4的蛋白质含量达2.4±0.05 mg cm⁻²，是未修饰电极的2.1倍，为更高的产电性能提供了物质基础。
分析了生物膜中微生物群落的属水平组成，数据来自图5e。意义：发现PBFDO修饰选择性富集了电活性菌地杆菌属，其相对丰度从53.1%提升至65.2%，同时增加了脱硫弧菌属、Cloacibacillus属等其他潜在电活性菌的丰度，优化了微生物群落结构。
计算了生物膜中电活性细菌的生物量密度，数据来自图5f。意义：定量证明n-HCP4阳极的电活性细菌生物量达1715±36.4 μg cm⁻²，是未修饰电极的2.4倍，直接解释了其更高的产电性能。
预测了生物膜中与乙酸代谢、TCA循环、IV型菌毛、细胞色素c和鞭毛相关的关键功能基因的拷贝数丰度，数据来自图6。意义：从分子层面揭示了PBFDO强化胞外电子传递的机制，其上调了细胞色素c合成、IV型菌毛组装和底物代谢相关基因的表达，促进了电子的产生和传递。
8.结论
本研究首次将具有创纪录导电率的n型聚合物PBFDO应用于微生物电化学系统的阳极界面修饰，成功构建了兼具高效电子收集和转移功能的生物-非生物界面导电网络。系统研究表明，PBFDO修饰显著提升了碳布电极的导电性、亲水性和氧化还原活性，大幅降低了界面电荷转移电阻。PBFDO负载量对系统性能具有明显的阈值效应，最优负载量为0.4 mg cm⁻²（n-HCP4），此时系统的最大功率密度达2182±27 mW m⁻²，较未修饰碳布提升41%，性能超越现有所有导电聚合物修饰阳极。PBFDO修饰展现出优异的生物相容性，促进了致密、高活性电活性生物膜的形成，选择性富集了丰度达65.2%的地杆菌属，并上调了细胞色素c、IV型菌毛等胞外电子传递相关基因的表达。机制分析表明，PBFDO通过双重途径强化界面电子转移：一是利用其高导电π-共轭骨架构建连续的电子收集网络，二是通过丰富的氧化还原活性位点作为电子转移介质，同时促进直接和间接电子传递过程。本研究不仅开发了一种高性能的MES阳极修饰技术，也为导电聚合物在生物电化学领域的应用提供了新的思路和理论依据。
9.芬兰Bioscreen仪器测量数据的研究意义
本研究使用芬兰Bioscreen全自动微生物生长曲线分析仪（原文标注为Oy Growth Curves Ab Ltd.），通过测定600 nm处的光密度（OD₆₀₀），定量分析了从不同PBFDO修饰阳极表面洗脱的细菌悬液的细胞密度。这些数据是评估生物膜生长状况和电活性细菌数量的核心基础之一，其研究意义主要体现在以下几个方面：
精准定量生物膜的细胞密度：Bioscreen具有高通量、高灵敏度和高重复性的特点，能够精确测定低浓度细菌悬液的OD₆₀₀值，从而准确计算出单位面积电极表面的活细胞数量。这一数据与BCA蛋白定量结果相互印证，共同证明了适量PBFDO修饰能显著增加生物膜的生物量，为系统产电性能的提升提供了直接的微生物学证据。
客观评估PBFDO的生物相容性：通过比较不同PBFDO负载量电极表面的细胞密度，可以定量评估材料的生物相容性。结果显示，在0.4 mg cm⁻²的最优负载量下，电极表面的细胞密度最高，表明该浓度的PBFDO不仅没有生物毒性，反而能为细菌提供更适宜的附着和生长环境。而当负载量超过0.6 mg cm⁻²时，细胞密度出现下降，提示过量的PBFDO可能会改变电极表面的微环境，对细菌的生长产生一定的抑制作用，这为确定材料的安全使用浓度范围提供了关键依据。
建立细胞密度与产电性能的关联：将Bioscreen测定的细胞密度数据与系统的电流密度、功率密度等产电指标进行关联分析，发现两者呈显著的正相关关系。这表明生物膜细胞密度的增加是PBFDO修饰提升MES产电性能的重要原因之一，同时也说明PBFDO修饰并没有降低单个电活性细菌的代谢活性和产电能力，而是通过增加电活性细菌的总数量来提高系统的整体性能。
优化生物膜的驯化工艺：通过在生物膜驯化的不同时间点测定细胞密度，可以绘制生物膜的生长曲线，明确生物膜从附着、生长到成熟的时间节点。这有助于优化MES的启动条件和运行参数，缩短生物膜的驯化周期，提高系统的启动效率和运行稳定性。
标准化生物膜定量方法：Bioscreen的全自动化操作消除了人工计数和手动分光光度计测定带来的随机误差，其标准化的数据输出格式保证了不同批次、不同实验室之间数据的可比性。这为导电聚合物修饰电极的性能评估建立了统一的生物量定量标准，也为不同研究之间的结果比较和交流提供了可靠的基础。