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Towards rapid formation of electroactive biofilm: insights from thermodynamics and electric field manipulation

生物膜 电化学 化学工程 化学 电场 电极 纳米技术 材料科学 物理 物理化学 量子力学 细菌 遗传学 工程类 生物
作者
Mengfan Yu,Wei Guo,Yuxiang Liang,Hai Xiang,Yijing Xia,Huajun Feng
出处
期刊:Water Research [Elsevier BV]
卷期号:261: 121992-121992 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.watres.2024.121992
摘要

Electroactive biofilm (EAB) has garnered significant attention due to its effectiveness in pollutant remediation, electricity generation, and chemical synthesis. However, achieving precise control over the rapid formation of EAB presents challenges for the practical implementation of bioelectrochemical technology. In this study, we investigated the regulation of EAB formation by manipulating applied electric potential. We developed a modified XDLVO model for the applied electric field and quantitatively assessed the feasibility of existing rapid formation strategies for EAB. Our results revealed that electrostatic (EL) force significantly influenced EAB formation in the presence of the applied electric field, with the potential difference between the electrode and the microbial solution being the primary determinant of EL force. Compared to -0.2 V and 0 V vs.Ag/AgCl, EAB exhibited the highest electrochemical performance at 0.2 V vs.Ag/AgCl, with a maximum current density of 6.044 ± 0.10 A/m2, surpassing that at -0.2 V vs.Ag/AgCl and 0 V vs.Ag/AgCl by 1.73 times and 1.31 times, respectively. Furthermore, EAB demonstrated the highest biomass accumulation, measuring a thickness of 25 ± 2 μm at 0.2 V vs. Ag/AgCl, representing increases of 1.67 and 1.25 times compared to -0.2 V vs.Ag/AgCl and 0 V vs.Ag/AgCl, respectively. The strong electrostatic attraction under the anodic potential promoted the formation of a monolayer of biofilm. Additionally, the hydrophilicity and hydrophobicity of the biofilm were altered following inversion culture. The Lewis acid-base (AB) attraction offset the electrostatic repulsion caused by negative charges, it is beneficial for the formation of biofilms. This study, for the first time, elucidated the difference in the formation of cathode and anode biofilm from a thermodynamic perspective in the context of electric field introduction, laying the theoretical foundation for the directional regulation of the rapid formation of typical electroactive biofilms.
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