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PEDOT:PSS-based Multilayer Bacterial-Composite Films for Bioelectronics.
Scientific Reports ( IF 4.6 ) Pub Date : 2018-Oct-16 , DOI: 10.1038/s41598-018-33521-9
Tom J. Zajdel , Moshe Baruch , Gábor Méhes , Eleni Stavrinidou , Magnus Berggren , Michel M. Maharbiz , Daniel T. Simon , Caroline M. Ajo-Franklin

Microbial electrochemical systems provide an environmentally-friendly means of energy conversion between chemical and electrical forms, with applications in wastewater treatment, bioelectronics, and biosensing. However, a major challenge to further development, miniaturization, and deployment of bioelectronics and biosensors is the limited thickness of biofilms, necessitating large anodes to achieve sufficient signal-to-noise ratios. Here we demonstrate a method for embedding an electroactive bacterium, Shewanella oneidensis MR-1, inside a conductive three-dimensional poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) matrix electropolymerized on a carbon felt substrate, which we call a multilayer conductive bacterial-composite film (MCBF). By mixing the bacteria with the PEDOT:PSS precursor in a flow-through method, we maintain over 90% viability of S. oneidensis during encapsulation. Microscopic analysis of the MCBFs reveal a tightly interleaved structure of bacteria and conductive PEDOT:PSS up to 80 µm thick. Electrochemical experiments indicate S. oneidensis in MCBFs can perform both direct and riboflavin-mediated electron transfer to PEDOT:PSS. When used in bioelectrochemical reactors, the MCBFs produce 20 times more steady-state current than native biofilms grown on unmodified carbon felt. This versatile approach to control the thickness of bacterial composite films and increase their current output has immediate applications in microbial electrochemical systems, including field-deployable environmental sensing and direct integration of microorganisms into miniaturized organic electronics.

中文翻译:

PEDOT:基于PSS的生物电子多层细菌复合膜。

微生物电化学系统提供了一种环境友好的化学和电子形式之间的能量转换方法,并应用于废水处理,生物电子学和生物传感领域。然而,生物电子和生物传感器的进一步开发,小型化和部署的主要挑战是生物膜的厚度有限,这就需要大型阳极来实现足够的信噪比。在这里,我们演示了一种将电活性细菌Shewanella oneidensis MR-1嵌入在碳毡基材上电聚合的导电三维三维聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)基质中的方法,该方法我们称多层导电细菌复合膜(MCBF)。通过流通法将细菌与PEDOT:PSS前体混合,我们在封装过程中保持了沙门氏菌90%以上的生存能力。对MCBF的显微镜分析显示,细菌和导电的PEDOT:PSS的紧密交错结构高达80 µm厚。电化学实验表明,MCBF中的拟南芥可以同时进行直接和核黄素介导的电子转移到PEDOT:PSS。当在生物电化学反应器中使用时,MCBF产生的稳态电流比在未经修饰的碳毡上生长的天然生物膜高20倍。这种控制细菌复合膜厚度并增加其电流输出的通用方法已在微生物电化学系统中得到了直接应用,包括可现场部署的环境传感以及将微生物直接整合到小型化的有机电子产品中。对MCBF的显微镜分析显示,细菌和导电的PEDOT:PSS的紧密交错结构高达80 µm厚。电化学实验表明,MCBF中的拟南芥可以同时进行直接和核黄素介导的电子转移到PEDOT:PSS。当在生物电化学反应器中使用时,MCBF产生的稳态电流比在未经修饰的碳毡上生长的天然生物膜高20倍。这种控制细菌复合膜厚度并增加其电流输出的通用方法已在微生物电化学系统中得到了直接应用,包括可现场部署的环境传感以及将微生物直接整合到小型化的有机电子产品中。对MCBF的显微镜分析显示,细菌和导电的PEDOT:PSS的紧密交错结构高达80 µm厚。电化学实验表明,MCBF中的拟南芥可以同时进行直接和核黄素介导的电子转移到PEDOT:PSS。当在生物电化学反应器中使用时,MCBF产生的稳态电流比在未经修饰的碳毡上生长的天然生物膜高20倍。这种控制细菌复合膜厚度并增加其电流输出的通用方法已在微生物电化学系统中得到了直接应用,包括可现场部署的环境传感以及将微生物直接整合到小型化的有机电子产品中。电化学实验表明,MCBF中的拟南芥可以同时进行直接和核黄素介导的电子转移到PEDOT:PSS。当在生物电化学反应器中使用时,MCBF产生的稳态电流比在未经修饰的碳毡上生长的天然生物膜高20倍。这种控制细菌复合膜厚度并增加其电流输出的通用方法已在微生物电化学系统中得到了直接应用,包括可现场部署的环境传感以及将微生物直接整合到小型化的有机电子产品中。电化学实验表明,MCBF中的拟南芥可以同时进行直接和核黄素介导的电子转移到PEDOT:PSS。当在生物电化学反应器中使用时,MCBF产生的稳态电流比在未经修饰的碳毡上生长的天然生物膜高20倍。这种控制细菌复合膜厚度并增加其电流输出的通用方法已在微生物电化学系统中得到了直接应用,包括可现场部署的环境传感以及将微生物直接整合到小型化的有机电子产品中。MCBF产生的稳态电流比在未经修饰的碳毡上生长的天然生物膜高20倍。这种控制细菌复合膜厚度并增加其电流输出的通用方法已在微生物电化学系统中得到了直接应用,包括可现场部署的环境传感以及将微生物直接整合到小型化的有机电子产品中。MCBF产生的稳态电流比在未经修饰的碳毡上生长的天然生物膜高20倍。这种控制细菌复合膜厚度并增加其电流输出的通用方法已在微生物电化学系统中得到了直接应用,包括可现场部署的环境传感以及将微生物直接整合到小型化的有机电子产品中。
更新日期:2018-10-16
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