Бактериальному топливному элементу мало хорошего проводника: его обитателям нужно есть. Микроорганизмы расщепляют питательные вещества, а электрод собирает передаваемые ими электроны и направляет во внешнюю цепь. Если питание перестает доходить до клеток, электрические достоинства материала уже не спасают. Поэтому исследователи Бингемтонского университета сделали электрод, который одновременно служит средой обитания. О работе, опубликованной в Small, университет рассказал 15 октября 2026 года.
У плоского электрода мало места для заселения. Пористый материал дает больше поверхности, но бактерии образуют биопленки. Они могут забивать поры: питание поступает хуже, продукты обмена накапливаются, клетки растут неравномерно. Добавить площадь оказывается проще, чем сделать ее пригодной для жизни.
Подсказкой стали кишечные ворсинки — выступы, увеличивающие поверхность всасывания в тонкой кишке. Команда заимствовала их архитектуру: вместо плоскости изготовила массив столбиков. Такая форма должна дать бактериям больше доступной поверхности и сохранить короткие пути доставки питания и удаления продуктов обмена. Кишечную ткань с ее физиологией и химической средой здесь не воспроизводили.
Столбики сделали из проводящего гидрогеля — водосодержащего полимерного материала с добавками, обеспечивающими перенос электронов. В состав вошли поливиниловый спирт, проводящий полимер PEDOT:PSS и восстановленный оксид графена. Получился одновременно влажный каркас для клеток и сборщик электронов. Внутрь поместили спящие споры Bacillus subtilis. При контакте с питательным раствором они прорастают в активные клетки; сами спящие споры ток не производят. Ворсинки стали анодом топливного элемента, а второй электрод, катод из модифицированной углеродной ткани, отделили ионообменной мембраной.
Геометрию проверили на 24 конфигурациях с разными радиусами и высотами столбиков. Оказалось, эти размеры нужно подбирать совместно. По данным авторов, ворсинчатая конструкция дала 66,45 микроватта на кубический сантиметр против 8,04 у собственного плоского контроля того же объема — выигрыш в 8,3 раза. Это сравнение двух конструкций, а не мировой рекорд. Оно показывает значимость архитектуры, но доступные аннотация и сообщения о работе не позволяют раздельно оценить вклад площади, доставки питания, числа активных клеток и электрического сопротивления.
Гибкие образцы испытали в лабораторной имитации трубы с раствором, имитирующим стоки. Отдельная самопитающаяся матрица позволила измерять биоэлектрохимический сигнал в разных точках. Отсюда и ближайшая перспектива — автономный мониторинг, которому могут пригодиться микроваттные источники. До работающего канализационного датчика еще нужны испытания в настоящих стоках и проверка долговечности. Промышленной энергетики здесь нет: главный результат — более высокая объемная мощность по сравнению с плоским контролем благодаря совместному проектированию электрода и среды для бактерий.
Источники: Intestinal Villi‐Inspired Living Biobatteries via Habitat‐Engineered Conductive Hydrogel Architectures; New biobatteries are inspired by your small intestine; Intestine-inspired bacterial biobattery creates 8 times the power
