2014年10月期刊俱乐部主题:微生物燃料电池——力学与生物电化学的结合

介绍。灵感来自志刚关于锂电池的博客[链接]，本期刊俱乐部的目的是提供一个论坛，讨论:

• 应用力学在微生物燃料电池等生物电化学系统中的作用
• 在这些系统的升级过程中计算力学的潜力。

在微生物燃料电池(mfc)中，溶解的有机物在生物阳极被氧化，而O2等氧化剂在阴极被还原[1]。流动分离通常是通过质子交换膜来实现的，质子交换膜能够穿透阳离子，在操作过程中保持阳极液和阴极液中的中性电荷。当微生物定植在燃料电池阳极上形成电化学活性生物膜(EAB)，引起电子转移时，能量转移就实现了。当发现生物膜中的微生物能够在没有额外化学介质的情况下将细胞外的电子转移到阳极时，MFC技术取得了突破。mfc通过利用外源电的代谢，在废水中可生物降解的有机物的自我复制驱动下，将化学能转化为电能[2]，这是一个自我维持的过程。然而，由于电压和电流损耗，能量回收效率较低，限制了MFC的性能。应用和计算力学可以在实现可持续大规模微生物生物技术发展所需的性能改进方面发挥根本作用。可能的贡献有:

• 加深对细胞外电子传递机制的理解
• 创建复杂的EABs本构模型，包括生长、侵蚀和脱离场景
• 设计适合大规模实现此类微生物装置的非标准生物电极拓扑结构

一个健壮的计算模型将考虑所有这些方面以及它们之间的耦合。对于计算力学和应用力学在本研究中的作用的建议、反馈和批评，我们深表赞赏。

细胞外电子转移的物理模型。生长在生物阳极上的外电从可溶性电子供体(如溶解的有机物)中除去电子，并将这些电子转移到生物阳极的表面。如果阴极电位大于生物阳极电位，电子就会通过外部电路流向阴极。提出了细胞外电子转移的两种主要机制。第一种机制是“间接的”，涉及电子通过介质化合物穿梭，通过氧化还原循环将电子从微生物转移到电极。第二种机制是“直接”的，它依赖于微生物与电极之间的直接接触，这是通过EPS基质的导电性或细菌毛的导电性(称为“纳米线”)来实现的[3]。这两种类型的电子转移的数值模型已经被开发出来[4-6]。前者高度依赖于作为质量传递方程一部分的生物膜基质的扩散系数，后者高度依赖于电导率系数。微生物纳米线除了在细胞外电子转移中发挥作用外，还作为生物膜的结构成分。根据微生物、生物膜状态和环境条件的不同，通过介质化合物或导电材料进行电子转移的偏好有所不同。

我们的力学团体能为更好地理解这些机制做出什么贡献?首先，对这些机制进行建模的最佳方法是什么?在给定实验数据集的情况下，如何使用计算模型来确定哪种机制最有可能发生?基于密度泛函理论的电子结构计算[7-12](参见Vikram之前的优秀期刊俱乐部[链接]及苏库[链接])或粗粒度的分子和随机动力学模拟已经发展为力学中的各种应用。欢迎讨论它们的适用性，以提高我们对阳极和EAB界面上发生的物理机制和反应动力学的理解[13]。

电化学活性生物膜的本构建模。在开发操作mfc中EABs的耦合数学模型和计算框架时，多种物理考虑是重要的。在[14]中，标量输运方程用生物膜周围液体中的平流-扩散方程和生物膜内部的扩散-反应方程求解。在mfc中由于电极之间的电位差而存在的电场作用下，电迁移也将成为物种迁移的驱动力。这些传递方程影响胞外电子传递和生物膜的生长。在之前的Journal Club中，Ellen[]对增长机制进行了非常深刻的讨论。链接]．用已建立的基于连续体的软物质生长模型来模拟生物膜生长[15]似乎是合适的。然而，大多数生物膜生长模型要么忽略溶胀对溶剂流动的影响，要么仅通过假设高度简化的恒定溶胀比来考虑这种影响。

T生物膜本身可以理解为细胞外聚合物质基质中的微生物种群(EPS)粘附在表面和界面上。EPS网络由蠕虫状多糖链组成，由任意位置的不同质量的连接点交联而成。目前用于生物膜的网络模型是八链模型[16]，它最初是为橡胶弹性而开发的，但最近的网络模型[17-19]的特征可以用于未来的研究。其他方法[20,21]认为生物膜是由EPS和水组成的生物凝胶。这种凝胶根据外界条件的变化吸收或排出溶剂，并由于聚合物和溶剂分子之间的热力学相容性而相应地膨胀或收缩。机械师对凝胶的杰出贡献，在Jerry以前的博客中讨论过[万博体育平台链接]，魏[链接]，志刚[link1，link2]，在这里也适用。生物膜的蠕变试验表明其本质上是粘弹性的[22]。暂态网络模型[23-27]最初是为橡胶粘弹性而开发的，可以用来解释这种效应。

由磨损、侵蚀和脱落引起的生物膜剥离在生物膜系统中起着关键作用，对mfc的性能有很大影响。导致分离的两种物理机制是外部剪切力的增加和内部强度的降低。这些因素已被广泛研究，包括营养饥饿的作用[28]，水动力条件的影响[29]，以及生物膜结构的影响[30,31]。人们提出了不同的数学模型来捕捉这些效应[32-34]。除了模拟地表侵蚀外，实验结果表明，生物量损失主要是由于大型生物膜颗粒的脱离。由计算力学家开发的尖锐[35-41]和扩散不连续[42-44]技术能否适用于压裂EABs的建模?万博体育平台

非标准生物电极拓扑的计算设计和升级。对于MFC系统的升级至关重要的是在电子转移和生物膜附着方面开发优化的生物阳极拓扑结构。目前，工艺必须从实验室反应器的10-6-10-3 m按数量级扩大到工业应用的1-103 m[45]。计算可以在实现这些目标方面发挥主导作用。开放的宏观多孔阳极材料，如碳布、碳纳米管/石墨烯涂层海绵和石墨刷，都扩大了阳极电解质-生物膜-阳极界面，最近被实验者开发出来[46-50]。石墨电极由石墨棒、石墨板或石墨盘组成，因其成本低、稳定性高、导电性好、生物相容性好等优点而被广泛应用。是否可以开发健壮的计算设计框架来提出生物电化学系统中优化的非标准生物电极拓扑?

利用现有的计算工具对生物电化学系统进行建模仍然是一项具有挑战性的任务。通过我们力学团体的努力，我们可以解决开放的物理挑战，并通过升级的生物电化学系统为可持续能源生产的发展做出贡献。

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