Levande elektroder ger starkare signaler

Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet, Campus Norrköping, har hittat en metod som ökar signalstyrkan från en mikrobiell elektrokemisk cell upp till tjugo gånger. Hemligheten är en film med en inbäddad bakterie: Shewanella oneidensis.

Att tillsätta bakterier till elektrokemiska system är ofta ett miljövänligt sätt att omvandla kemisk energi till elektricitet. Applikationer finns inom vattenrening, bioelektronik, biosensorer och för att skörda och lagra energi i bränsleceller.

En utmaning vid miniatyrisering av processerna är att hög signalstyrka hittills har krävt stora elektroder och stor vätskevolym.

Nu har forskargruppen vid Linköpings universitet, tillsammans med kollegor vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Berkeley, Kalifornien, tagit fram en metod där de bäddar in den elektroaktiva bakterien Shewanella oneidensis i PEDOT:PSS, ett elektriskt ledande polymermaterial, på ett substrat av kolfilt.

Forskarna kallar resultatet en flerlagers ledande bakterie-kompositfilm, multilayer conductive bacterial-composite film, MCBF. En mikroskopisk analys av filmen visar en sammanflätad struktur av bakterier och ledande polymerer som kan vara upp till 80 µm tjock, betydligt tjockare än vad som är möjligt med andra tekniker.

– Våra experiment visar att över 90 procent av bakterierna är livskraftiga och att bakterie-kompositfilmen, MCBF, ökar flödet av elektroner till den externa kretsen. När filmen används som anod i en biokemisk bränslecell blir strömstyrkan 20 gånger så hög som med anoder i andra material, och den förblir hög i alla fall i flera dagar, säger Gábor Méhes, forskare vid Linköpings universitet och en av författarna till den vetenskapliga artikel som nyligen publicerats i Scientific Reports.

Tidigare forskning har bland annat testat kolnanorör för att öka ytan vid anoden, men utan att få samma goda resultat.

Möjligheten att kunna koppla biologiska processer till avläsningsbara elektriska signaler är även värdefullt för exempelvis miljösensorer eftersom det krävs snabb svarstid, låg energikonsumtion och möjlighet att lägga in en stor mängd olika receptorer.

Nyligen har forskare bland annat demonstrerat hur Shewanella oneidensis producerar elektrisk ström som svar på arsenik, arabinos (socker) eller organiska syror.

– Vi presenterar här en typ av "levande elektrod" där elektrodmaterialet och bakterierna sammanfogas till en enda elektronisk biofilm. Allt eftersom våra kunskaper ökar om den viktiga roll som bakterier spelar för vår egen hälsa och välbefinnande kommer det sannolikt att utvecklas nya typer av levande elektroder. Det ger oss mångsidiga och anpassningsbara verktyg för att utveckla nya former av bioelektronisk teknik och terapier, säger Daniel Simon, forskningsledare inom organisk bioelektronik vid Laboratoriet för organisk elektronik.

Artikeln: PEDOT:PSS-based Multilayer Bacterial-Composite Films for Bioelectronics, Tom J. Zajdel, Moshe Baruch, Gábor Méhes, Eleni Stavrinidou, Magnus Berggren, Michel M. Maharbiz, Daniel T. Simon & Caroline M. Ajo-Franklin. Scientific Reports 8, 2018. DOI 10.1038/s41598-018-33521-9

Kontakt: Daniel T Simon, daniel.simon@liu.se, 011 - 36 34 76