一种电化学生物电极及其生物3D打印方法和应用

技术领域

本发明属于环境微生物能源工程领域，具体涉及一种高性能电化学生物电极的生物3D打印技术。

背景技术

生物电化学系统(Bioelectrochemistry system,BES)是一种新型环境友好的可再生能源、资源回收技术，其基本工作原理是生物电极催化氧化有机物并产生电子和质子，电子和质子分别通过外电路和阳极液传导到阴极发生还原反应。BES可利用污水中的有机物实现产电、产甲烷、产氢、电化学脱盐等过程，在节能、减少污泥生成及能量转换与存储等方面具有广阔的应用潜力。

生物3D打印是一种增材制造技术，通过将细胞或微生物和打印墨水混合，打印成型并固化后，直接得到预定形状和结构的活体生物材料。生物3D打印可以快速、低成本、大规模制造活体生物材料，在生物、医学等领域具有广泛应用潜力。

采用生物3D打印技术可以直接制备生物电化学系统所需的生物电极。目前采用的方式主要是通过将电活性微生物(如希瓦氏菌Shewanella)、3D打印墨水(如海藻酸钠，SA)和导电材料(如炭黑)混合形成生物墨水，随后打印成型并固化后得到所需的生物电极。然而在这个过程中，由于3D打印墨水通常为不导电材料，3D打印墨水包裹在电活性微生物和导电材料表面，会阻碍电子在电活性微生物和导电材料之间的传递，降低3D打印生物电极的电化学性能。

发明内容

本发明针对当前用于生物电极生物3D打印技术存在的问题，通过在生物3D打印电极中增加电子穿梭体(Transient media)，提供了一种提升性能的3D打印生物电极的方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种电化学生物电极的生物3D打印方法，其具体做法如下：

先将电子穿梭体加入分散型导电材料的水相分散液中，混合静置形成复合物后对复合物进行固液分离；

再将分离得到的复合物与海藻酸钠(SA)和纤维素混合后悬浮于水中，形成3D打印墨水；

最后将电活性微生物的水相悬浮液加入所述3D打印墨水中混合后，通过生物3D打印技术打印成电极形状后浸入CaCl

作为上述第一方面的优选，所述分散型导电材料为活性炭粉末、炭黑、石墨烯或碳纳米管。

作为上述第一方面的优选，所述电子穿梭体为核黄素(riboflavin)、黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenosine dinucleotide)或黄素单核苷酸(flavin mononucleotide)。

作为上述第一方面的优选，所述电活性微生物为具有包括胞外电子传递能力(extracellular electron transfer，EET)的微生物，优选为希瓦氏菌(Shewanella)。

作为上述第一方面的优选，所述分散型导电材料的水相分散液浓度为0.005～0.05g/mL，而电子穿梭体在分散液中的终浓度为0.01～100mM。

作为上述第一方面的优选，每制备2.5mL所述3D打印墨水，分散型导电材料、海藻酸钠和纤维素的用量分别为0.1g-1g、0.04g-0.1g和0.05g-0.5g。

作为上述第一方面的优选，所述电活性微生物的水相悬浮液的制备方法为：将电活性微生物预先接种在LB肉汤中，在28～32℃下振荡过夜后离心得到沉淀物，将沉淀物重新悬浮在水中形成电活性微生物的水相悬浮液。

作为上述第一方面的优选，所述CaCl

第二方面，本发明提供了一种如上述第一方面任一方案所述生物3D打印方法打印得到的电化学生物电极。

第三方面，本发明提供了一种双室微生物燃料电池，其特征在于，包括用阳离子交换膜隔开的阳极室和阴极室，阳极室中设有浸没于阳极溶液的阳极，阴极室中设有浸没于阴极溶液的阴极，且所述阳极为如上述第二方面所述的电化学生物电极。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明通过生物3D打印电极中增加电子穿梭体，从而在生物3D打印电极中构建了新的电子传递通路，可促进微生物与导电材料的高效电子传递，提高生物3D打印电极的电化学性能。

附图说明

图1为实施例1中以炭黑(CB)为导电材料，生物3D打印电极用于微生物燃料电池中的运行电压图；图例中Carbon cloth为碳布电极，SA-CB为传统方法(不含电子穿梭体)制备的3D打印生物电极，SA-CB-RF为本发明方法制备的3D打印生物电极。

图2为实施例1中以炭黑(CB)为导电材料，生物3D打印电极用于微生物燃料电池中的功率曲线图；图例中Carbon cloth为碳布电极，SA-CB为传统方法(不含电子穿梭体)制备的3D打印生物电极，SA-CB-RF为本发明方法制备的3D打印生物电极。

图3为实施例2中以石墨烯(G)为导电材料，不同浓度核黄素对生物3D打印电极用于微生物燃料电池中的功率曲线图；图例中SA-G为传统方法(不含电子穿梭体)制备的3D打印生物电极，SA-G-F为添加电子穿梭体制备的3D打印生物电极，F前数字为对应的电子穿梭体浓度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

作为本发明的一种较佳实现方式，其提供的一种电化学生物电极的生物3D打印方法具体如下：

将分散型导电材料0.1g-1g分散到20mL去离子水中，加入电子穿梭体(加入后的最终浓度为0.01mM-100mM之间)，将混合溶液放置24小时，然后离心复合物，加入0.04g-0.1g的海藻酸钠(SA)和0.05g-0.5g纤维素混合，再悬浮在2.5mL去离子水(DI)中，形成3D打印墨水。将电活性微生物预先接种在50mL LB肉汤中，在30℃下振荡过夜，离心收获沉淀物。将沉淀物重新悬浮在2.5mL DI中，并与2.5mL 3D打印墨水混合，形成3D打印生物墨水。使用3D打印机打印生物膜模拟物的3D结构，随后浸入0.5M CaCl

上述分散型导电材料具体可采用活性炭粉末、炭黑、石墨烯、碳纳米管等。

上述电子穿梭体具体可采用核黄素(riboflavin)，黄素腺嘌呤二核苷酸(flavinadenosine dinucleotide)，黄素单核苷酸(flavin mononucleotide)等。

上述电活性微生物具体是具有包括胞外电子传递能力(extracellular electrontransfer，EET)的微生物，理论上任意具有EET的微生物均可适用于本发明，例如希瓦氏菌属(Shewanella)、地杆菌属(Geobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)等。本发明中优选采用的电活性微生物为希瓦氏菌属(Shewanella)，希瓦氏菌属是一类广泛存在于自然环境中的细菌，且目前发现的希瓦氏菌均具有较好的胞外电子传递能力。本发明若采用希瓦氏菌属作为电活性微生物，则可通过众多市售途径获得。

上述方法打印得到的电化学生物电极，可作为双室微生物燃料电池中的阳极使用。该双室微生物燃料电池包括用阳离子交换膜隔开的阳极室和阴极室，阳极室中设有浸没于阳极溶液的阳极，阴极室中设有浸没于阴极溶液的阴极，且阳极为前述打印得到的电化学生物电极。双室微生物燃料电池的具体结构属于现有技术，其中除了阳极之外的其他组件和材料可根据实际需要进行选择。

下面通过实施例来展示本发明中电化学生物电极的具体制备方式以及在应用中的效果。实施例1～4中所用的希瓦氏菌株购自美国模式培养物集存库(American typeculture collection，ATCC)，编号为ATCC 700550，但这仅仅是一种可选菌株，并非限定。

实施例1

本实施例提供一种生物电化学生物电极的生物3D打印方法，同时将其与传统方法和空白对照的性能进行了对比。具体做法如下：

将0.2g炭黑(Carbon Black，CB)超声分散到20mL去离子水中，加入最终浓度为1mM的核黄素(Riboflavin，RF)。将CB和RF的混合溶液放置24小时。然后离心分离CB/RF复合物，将离心得到的CB/RF复合物与0.05g海藻酸钠(SA)和0.1g纤维素混合，再悬浮在2.5mL去离子水(DI)中，形成3D打印墨水。将希瓦氏菌(Shewanella)预先接种在50mL LB肉汤中，在30℃下振荡过夜，离心收获沉淀物。将沉淀物重新悬浮在2.5mL DI中，并与前述已得到的2.5mL 3D打印墨水混合，形成最终输入3D打印机的3D打印生物墨水。使用3D打印机打印生物膜模拟物的3D结构，随后浸入0.5M CaCl

3D打印后，立即采用所得的生物电极构建双室微生物燃料电池(MFC)。将3D打印生物电极(面积1.5×1cm

阳极溶液为HEPES缓冲液(30mM HEPE、85mM NaCl、28mM NH

从结果中可以看出，含有电子穿梭体的3D打印生物电极(SA-CB-RF)在MFC构建后立即达到峰值电压670±50mV，高于未添加电子穿梭体的3D打印生物电极(SA-CB，470±50mV)。而碳布阳极(Carbon cloth)需要近3天才能达到220mV的稳定电压输出(图1)。极化测试的结果表明，SA-CB-RF获得的最大功率密度为252mW/m

实施例2

本实施例中，使用不同电子穿梭体核黄素浓度来实现生物电化学生物电极的生物3D打印，具体做法如下：

将0.2g石墨烯(Graphene,GPE)超声分散到20mL去离子水中，加入最终浓度分别为0.01mM，1mM，10mM，100mM的核黄素(riboflavin，RF)，形成四组不同的试验。每组试验中，将GPE和RF的混合溶液放置24小时，然后离心分离GPE/RF复合物，将离心得到的GPE/RF复合物与0.05g海藻酸钠(SA)和0.1g纤维素混合，再悬浮在2.5mL去离子水(DI)中，形成3D打印墨水。将希瓦氏菌(Shewanella)预先接种在50mL LB肉汤中，在30℃下振荡过夜，离心收获沉淀物。针对四组不同RF浓度的试验组，将沉淀物重新悬浮在2.5mL DI中，并与前述已得到的2.5mL 3D打印墨水混合，形成最终输入3D打印机的3D打印生物墨水。使用3D打印机打印生物膜模拟物的3D结构，随后浸入0.5MCaCl

3D打印后，立即采用四组试验组各自所得的生物电极构建双室微生物燃料电池(MFC)。将3D打印生物电极(面积1.5×1cm

从结果可以看出，含有电子穿梭体的实验组SA+G+0.01mM F～SA+G+100mM F，随着电子穿梭体的浓度从0.01mM增加至100mM，3D打印生物电极的产电性能不断提高(图3)。当电子穿梭体的浓度达到10mM时，3D打印电极的最大输出功率达到252.1mW/m

实施例3

本实施例中以黄素腺嘌呤二核苷酸作为电子穿梭体来实现生物电化学生物电极的生物3D打印，具体做法如下：

将0.1g活性炭(Activated Carbon,AC)粉末超声分散到20mL去离子水中，加入最终浓度为10mM的黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenosine dinucleotide，FAD)。将AC和FAD的混合溶液放置24小时，然后离心分离AC/FAD复合物，将离心得到的AC/FAD复合物与0.1g海藻酸钠(SA)和0.5g纤维素混合，再悬浮在2.5mL去离子水(DI)中，形成3D打印墨水。将希瓦氏菌(Shewanella)预先接种在50mL LB肉汤中，在30℃下振荡过夜，离心收获沉淀物。将沉淀物重新悬浮在2.5mL DI中，并与前述已得到的2.5mL 3D打印墨水混合，形成最终输入3D打印机的3D打印生物墨水。使用3D打印机打印生物膜模拟物的3D结构，随后浸入0.5MCaCl

实施例4

本实施例中以黄素单核苷酸作为电子穿梭体来实现生物电化学生物电极的生物3D打印，具体做法如下：

将1g碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)超声分散到20mL去离子水中，加入最终浓度为10mM的黄素单核苷酸(lavin mononucleotide，LM)。将CNT和LM的混合溶液放置24小时。然后离心分离CNT/LM复合物，将离心得到的CNT/LM复合物与0.04g海藻酸钠(SA)和0.05g纤维素混合，再悬浮在2.5mL去离子水(DI)中，形成3D打印墨水。将希瓦氏菌(Shewanella)预先接种在50mL LB肉汤中，在30℃下振荡过夜，离心收获沉淀物。将沉淀物重新悬浮在2.5mL DI中，并与前述已得到的2.5mL 3D打印墨水混合，形成最终输入3D打印机的3D打印生物墨水。使用3D打印机打印生物膜模拟物的3D结构，随后浸入0.5M CaCl

以上所述的实施例只是本发明的较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。