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Engineering cell-electrode interfacial electron transfer to boost power generation of electroactive biofilm

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作者
Qijing Liu,Qinran Ding,Wenliang Xu,Yan Zhang,Baocai Zhang,Huan Yu,Chao Li,Junqi Zhang,Zixuan You,Rui Tang,Deguang Wu,Chao Zhao,Yingxiu Cao,Wenyu Lü,Feng Li,Hao Song
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:117: 108931-108931 被引量:35
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108931
摘要

Electroactive biofilm plays a crucial rule in the electron transfer efficiency of bio-electrochemical systems (BES). However, the slow rate of interfacial electron transfer (IET) restricts practical applications of various BES. Here, a modular engineering strategy was developed to enhance IET rate. Firstly, to accelerate the low transmembrane electron transfer rate caused by insulative cell membrane of Shewanella oneidensis, pili-based artificial conductive nanowires and outer-membrane c-cytochrome OmcF from Geobacter sulfurreducens were heterologously expressed to construct transmembrane electron conduits. Secondly, to improve the low electron transfer rate from S. oneidensis to anode owing to the poor electron collection ability of the anode, N-doped carbon nanotubes and polyriboflavin were used to increase the surface area and active sites of the anode. Thirdly, to further reduce the resistance due to the low conductivity of biofilm, the polydopamine was coated in situ to construct high-speed conductive networks, obtaining an unprecedented power density of 5233.7 ± 364.7 mW/m2, ∼83.1-fold higher than that of the wild-type strain (62.2 ± 5.5 mW/m2), and the maximum coulomb efficiency of ESR1 @PDA was 85.4%, which, to the best of our knowledge, is one of the highest output power densities and coulomb efficiencies that have ever reported in the genetically engineered Shewanella strains. This study demonstrated an integrated biotic-electrode modular engineering strategy to boost power generation of electroactive biofilm via synthetic biology and material engineering.
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