Biotechnology Advances∣基于蓝藻构建的生物光伏电池

“Biotechnology Advances∣基于蓝藻构建的生物光伏电池”

文献信息：        

Huawei Zhu, Haowei Wang, Yanping Zhang, Yin Li.

https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2023.108101

Biotechnology Advances 影响因子：17.681

背景介绍

生物光伏（Biophotovoltaics，BPV）是一项清洁发电技术，它是利用可自我复制的光合微生物捕捉太阳能生产电能的。然而，虽然光合微生物胞内电荷分离的量子效率非常高，但其胞内电子的导出却存在着极大的局限，细胞膜严重阻碍了光电流的输出。

这篇综述总结了近年来为增加BPV系统电力输出所采取的方法，主要包括细胞内电子转移的重新定向、扩大可利用的光合微生物、光合微生物-电极界面电子转移速率的加强和设计高性能器件等。

此外，本文还讨论了增强光电流获取的策略，如利用混合菌群、添加外源电子传递介体等策略来规避光合微生物弱导电活性，从而提高BPV的功率输出和寿命延长。

图文解读

图1 BPV系统的简要示意图

光系统II吸收光能催化水分解，产生的光电子直接转移到胞外阳极，或通过CO₂固定和有机物合成和分解等额外过程间接转移到阳极。一旦被阳极接收，电子将通过外部电路流向阴极。在阴极，会发生一个相对高电位的还原反应，如氧还原反应，以消耗电子。

图2 提高BPV系统光电输出的不同方法的图示

（a）过阻断电子耗散途径或建立电子输出通道来重定向细胞内电子转移。

（b）通过寻找或筛选电活性蓝藻和藻类来扩大可用的光合微生物。

（c）通过开发先进的电极结构或使用纳米材料和氧化还原聚合物修饰电极表面来增强界面电子转移。

（d）设计不同配置的高性能器件，例如器件小型化。

（a）孔径为10 μm的inverse opal-indium tin

（b）高度为600 μm、直径为20 μm的支状微柱ITO电极的SEM图像。

（a）外源性介质依赖策略。X表示外源添加的电子介质，如1,4-苯醌和pyocyanin。X⁻表示X的还原状态。在某些情况下，外源介质如铁氰化物（记为X1）由于不能穿透质膜而从细胞的质周空间获取电子。

（b）电活性增强策略。通过细胞膜上的纳米线、C型细胞色素或内源性小分子电子介质，将光电流导出。

（c）构建微生物菌群策略。光合微生物利用太阳能将CO₂固定到有机物质中，例如乳酸盐和蔗糖。随后这些有机物被电活性菌株利用，产生电流。

（a）由Synechocystis sp. PCC 6803和Shewanella oneidensis MR-1构成的微生物群。

（b）由Synechocystis sp. PCC 6803、Shewanella oneidensis MR-1和Pseudomonas aeruginosa PA01构成的微生物群。

（c）由Synechococcus elongatus UTEX 2973和工程Shewanella oneidensis MR-1构成的微生物群。

（d）由工程蓝藻、工程大肠杆菌、工程Shewanella oneidensis MR-1和工程G. sulfurreducens构成的微生物群。

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