生物电化学系统（BESs）利用产电微生物分解有机物，同时将电子转移到细胞外，以实现污染物降解、能源生产或其他生态功能。然而，在长时间的运作过程中，阳极上电活性生物膜（EABs）的老化会阻碍细胞外电子的有效产生和转移，导致BESs性能的恶化。用来改善生物膜老化的如控制水利条件和离子浓度、引入中间生态竞争和声空化等传统方法涉及高额的成本及效果不理想等问题。此外，近年来生物质基多孔碳电极由于其环境友好性，可再生性，具有更高的生物量负载能力，是一种备受青睐的阳极材料，但生物膜老化造成的孔隙堵塞和传质限制阻碍了其进一步的发展。

  针对上述挑战，东北林业大学刘守新教授团队首次提出了一种利用柔性纤维素/木质素基阳极（CAs）材料的弹性变形来恢复老化生物膜的有效策略。合成的仿木管状结构阳极材料在湿态下表现出优异的压缩性能和抗疲劳性能。经过柔性生物阳极的弹性变形后，老化生物膜的代谢活性显著增加、抑制胞外电子转移的死细胞和松散结合的胞外聚合物被有效去除。此外，压缩过程抑制了来自非外电微生物的生态竞争。总体而言，阳极发生弹性变形后，功率密度得到了显著提高，离子扩散、比电容和催化响应电流均有所改善。该工作对BESs的实际长期应用至关重要，也为阳极材料对微生物的机械影响提供了新的见解。这项研究成果以“Elastic Deformation of Cellulose/Lignin-based Anode for Rejuvenating Aged Mix-Cultured Electroactive Biofilms”为题发表在《Advanced science》杂志上。文章第一作者为东北林业大学博士研究生刘雪，通讯作者为东北林业大学刘守新教授、李伟教授和王睿文副教授。该研究工作得到了国家自然科学基金，中央高校基本科研业务费专项基金和中国博士后面上基金等项目的支持。

图1.(a)碳气凝胶制备示意图。(b)CA-2的SEM图像。(c)CAs的XRD谱图。(d)CAs的奈奎斯特图。(e)湿态CA-2在50%应变下循环压缩50次的应力-应变曲线。(f)CAs在磷酸盐缓冲溶液中压缩和释放过程的数码图片。(g)CA-2的数码照片。

图2.(a)碳布（CC）和CAs阳极微生物燃料电池（MFCs）的输出电压。(b)不同阳极MFCs的功率密度。(c)不同阳极MFCs的充放电曲线。(d)不同阳极MFCs的COD去除率和库仑效率。生物膜覆盖后CC和CAs阳极的(e)奈奎斯特图，(f)循环伏安曲线，和(g)差分脉冲伏安曲线。(h)阳极生物膜胞外电子传递机理示意图。

图3. CC和CAs阳极MFCs在不同时期的电化学性能比较。(a)不同阳极MFCs每个输出电压周期的峰值电压。(b)CAs生物阳极压缩过程示意图。(c)不同阳极MFCs的峰值功率密度比较(P < 0.05 (ns), P < 0.05 (*), P < 0.01 (**), P < 0.001 （***), P < 0.0001(****)）。(d)不同生物阳极在不同时期的比电容。(e)不同生物阳极不同时期的峰值差分脉冲伏安电流密度。(f)二次压缩前后CA-2阳极MFC的功率密度对比。

图4. (a) CA-2生物阳极在不同时期的SEM图像。 (b) CC和CA-2阳极生物膜在时期Ⅱ和时期Ⅲ的MutiSIM图像。 (c)老化生物膜的胞外电子转移机理示意图。(d) CA-2生物阳极的三维荧光图像。(e)从生物阳极挤出液体中提取的胞外聚合物的组分分析（LB-EPS和TB-EPS分别代表松散结合和紧密结合的细胞外聚合物物质。PS、PN、HA和eDNA分别是多糖、蛋白质、腐殖酸和胞外DNA的缩写）。(f)不同生物阳极在时期Ⅱ和时期Ⅲ的ATP含量的比较。不同生物阳极的(g)电荷转移电阻和(h)离子扩散系数。

图5. (a)时期Ⅱ和时期Ⅲ不同CAs阳极生物膜在属水平上的Circos图。(b) CAs阳极生物膜功能属的相对丰度气泡图。(c) CAs生物阳极生物膜的中性群落模型分析。

图6. CAs阳极的弹性形变对微生物燃料电池性能改善的机理分析。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202417788