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  生物電化學系統（BESs）利用產電微生物分解有機物，同時將電子轉移到細胞外，以實現污染物降解、能源生產或其他生態功能。然而，在長時間的運作過程中，陽極上電活性生物膜（EABs）的老化會阻礙細胞外電子的有效產生和轉移，導致BESs性能的惡化。用來改善生物膜老化的如控制水利條件和離子濃度、引入中間生態競爭和聲空化等傳統方法涉及高額的成本及效果不理想等問題。此外，近年來生物質基多孔碳電極由于其環境友好性，可再生性，具有更高的生物量負載能力，是一種備受青睞的陽極材料，但生物膜老化造成的孔隙堵塞和傳質限制阻礙了其進一步的發展。

  針對上述挑戰，東北林業大學劉守新教授團隊首次提出了一種利用柔性纖維素/木質素基陽極（CAs）材料的彈性變形來恢復老化生物膜的有效策略。合成的仿木管狀結構陽極材料在濕態下表現出優異的壓縮性能和抗疲勞性能。經過柔性生物陽極的彈性變形后，老化生物膜的代謝活性顯著增加、抑制胞外電子轉移的死細胞和松散結合的胞外聚合物被有效去除。此外，壓縮過程抑制了來自非外電微生物的生態競爭。總體而言，陽極發生彈性變形后，功率密度得到了顯著提高，離子擴散、比電容和催化響應電流均有所改善。該工作對BESs的實際長期應用至關重要，也為陽極材料對微生物的機械影響提供了新的見解。這項研究成果以“Elastic Deformation of Cellulose/Lignin-based Anode for Rejuvenating Aged Mix-Cultured Electroactive Biofilms”為題發表在《Advanced science》雜志上。文章第一作者為東北林業大學博士研究生劉雪，通訊作者為東北林業大學劉守新教授、李偉教授和王睿文副教授。該研究工作得到了國家自然科學基金，中央高校基本科研業務費專項基金和中國博士后面上基金等項目的支持。

圖1.(a)碳氣凝膠制備示意圖。(b)CA-2的SEM圖像。(c)CAs的XRD譜圖。(d)CAs的奈奎斯特圖。(e)濕態CA-2在50%應變下循環壓縮50次的應力-應變曲線。(f)CAs在磷酸鹽緩沖溶液中壓縮和釋放過程的數碼圖片。(g)CA-2的數碼照片。

圖2.(a)碳布（CC）和CAs陽極微生物燃料電池（MFCs）的輸出電壓。(b)不同陽極MFCs的功率密度。(c)不同陽極MFCs的充放電曲線。(d)不同陽極MFCs的COD去除率和庫侖效率。生物膜覆蓋后CC和CAs陽極的(e)奈奎斯特圖，(f)循環伏安曲線，和(g)差分脈沖伏安曲線。(h)陽極生物膜胞外電子傳遞機理示意圖。

圖3. CC和CAs陽極MFCs在不同時期的電化學性能比較。(a)不同陽極MFCs每個輸出電壓周期的峰值電壓。(b)CAs生物陽極壓縮過程示意圖。(c)不同陽極MFCs的峰值功率密度比較(P < 0.05 (ns), P < 0.05 (*), P < 0.01 (**), P < 0.001 （***), P < 0.0001(****)）。(d)不同生物陽極在不同時期的比電容。(e)不同生物陽極不同時期的峰值差分脈沖伏安電流密度。(f)二次壓縮前后CA-2陽極MFC的功率密度對比。

圖4. (a) CA-2生物陽極在不同時期的SEM圖像。 (b) CC和CA-2陽極生物膜在時期Ⅱ和時期Ⅲ的MutiSIM圖像。 (c)老化生物膜的胞外電子轉移機理示意圖。(d) CA-2生物陽極的三維熒光圖像。(e)從生物陽極擠出液體中提取的胞外聚合物的組分分析（LB-EPS和TB-EPS分別代表松散結合和緊密結合的細胞外聚合物物質。PS、PN、HA和eDNA分別是多糖、蛋白質、腐殖酸和胞外DNA的縮寫）。(f)不同生物陽極在時期Ⅱ和時期Ⅲ的ATP含量的比較。不同生物陽極的(g)電荷轉移電阻和(h)離子擴散系數。

圖5. (a)時期Ⅱ和時期Ⅲ不同CAs陽極生物膜在屬水平上的Circos圖。(b) CAs陽極生物膜功能屬的相對豐度氣泡圖。(c) CAs生物陽極生物膜的中性群落模型分析。

圖6. CAs陽極的彈性形變對微生物燃料電池性能改善的機理分析。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202417788