论文标题：Leveraging 3D printing in microbial electrochemistry research: current progress and future opportunities

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Mingyi Xu, Miriam Fernandez-Avila Cobo, Danfei Zeng, Yifeng Zhang

发表时间：15 Jan 2025

DOI：10.1007/s11783-025-1921-y

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FESE

Young Talent Award 2024

摘要

微生物电化学系统（MES）通过利用微生物代谢和电化学过程，为废水处理、能源生产和化学合成等环境应用提供可持续解决方案。本文回顾了3D打印技术在MES制造中的最新进展，强调其在反应器主体、电极和支架设计优化中的作用，以及其在加速开发周期和提升性能方面的潜力，同时探讨了3D生物打印在生物载体和生物墨水配方方面的最新进展及面临的挑战与机遇。尽管3D打印技术当前面临材料和成本等挑战，但其与MES的结合对推动减污降碳、资源回收、生物传感等技术的迭代升级具有巨大的应用潜力。

摘要图

1 引言

微生物电化学系统MES利用微生物代谢和电化学过程，为废水处理、资源回收和碳利用提供创新解决方案。通过微生物将电子转移到固体表面的独特能力，MES能够有效降解有机污染物，同时生成电力、氢气和增值化学品等有价值的产品。3D打印技术的出现彻底改变了MES反应器各组成部分的设计和制造，提供了无与伦比的定制化和精确度。

3D打印技术能够创建具有优化流体动力学和质量传输特征的复杂反应器主体设计，最大限度地提高系统性能。同时，还可以定制电极的几何形状和表面特性，优化电子转移效率，支持材料的精确制造，进一步提升MES系统的功能性和耐久性。本文综述了3D打印技术在微生物电化学研究中的应用，通过快速原型制作和设计灵活性，3D打印在推进MES技术的环境修复和能源生成方面展现出巨大的变革潜力。

2 3D打印助力MES反应器的设计与优化

2.1 反应器构型设计灵活性和性能的提升

3D打印技术使得复杂的流体结构反应器的生产成为可能，同时为MES提供了可延展性以满足不同反应需求。通过3D打印，研究人员能够创造定制化的反应器组件，从而显著提升反应器的性能和效率。

2.2 反应器的快速制作与加速开发周期

3D打印技术通过模块快速制作和迭代设计探索能显著加快MES反应器的开发和优化周期。研究人员能够利用计算机辅助设计软件快速创建和修改反应器设计，从而优化流体动力学和物质传输效率。

2.3 根据特定应用需求定制化墨水材料

在3D打印的MES中，墨水和打印方式的选择对反应器的性能和耐用性至关重要。不同类型的墨水材料可以根据特定应用的要求进行定制，优化导电性、生物相容性和化学稳定性。通过调整墨水配方和材料特性，研究人员能够开发出更高效、更耐用的微生物电化学反应器，满足各种特殊应用需求。

图1 3D打印在MES反应器设计中的应用包括新的构型、系统优化、模块放大等

3 3D打印用于兼备导电性和生物相容性电极的设计与制造

3.1 强化3D生物阳极的产电能力

生物阳极是实现MES低能耗特性的关键组成部分，其利用附着的微生物将有机物转化为电力或其他有价值的产品。3D打印技术能够创造出具有复杂结构和定制特性的阳极，这对提高细菌与电极表面之间的电子转移至关重要。

3.2 强化3D生物阴极的电还原能力

生物阴极在MES中作为电子流动环路的终端，为氧化剂接受电子的必要表面场所和条件，从而促进的生物电还原过程。3D打印技术为高性能生物阴极的制造提供了多种选择，能够精准控制材料特性，显著提升其功能。

图2 不同的3D打印技术应用于生物阳极和阴极的制造

4 3D生物打印技术在MES的应用

4.1 生物支撑材料制造和生物墨水配方

3D生物打印在MES中的应用高度依赖于合适的生物墨水配方和生物支撑材料。适当的生物墨水应具备良好的流变学性质，为微生物细胞提供支撑基质。此外，导电材料如石墨烯和碳纳米管被用来增强打印结构的电学性能。适用于生物打印的3D打印技术能够满足不同层次的打印需求和应用场景。

4.2 3D生物打印在MES中的成功应用

3D挤压生物打印和电化学生物打印技术已在MES中有了成功应用。通过挤压生物打印，研究人员成功地将活性微生物与导电材料结合，显著提高了电极的功能性。电化学3D打印则通过在墨水中嵌入产电活性菌，制造出具有高效电子转移能力的生物电极。此外，3D打印的活性微生物燃料电池阳极表现出良好的性能。

图3 3D生物打印技术在MES中的应用案例

5 当前的机遇与挑战

虽然3D打印技术在MES中具有重要的应用潜力，但其在优化打印参数、选择生物墨水和规模化生产方面仍面临挑战。确保电极架构适合微生物附着和电子转移的精确制造是一项复杂的任务，同时反应体系的长时间稳定性和耐用性也是关键问题。此外，3D电极表面积与电解质体积之间需保持良好比例，以确保微生物能获得足够的营养和电子供体/受体，而对生物膜形态及其与电极的相互作用的理解仍然不足。新材料、打印技术和生物墨水的开发为提升3D打印电极的性能提供了机会，同时也为可穿戴微生物燃料电池等新应用开辟了道路，但其而在工业规模应用中实现成本效益和一致性依然是一个重大挑战。最后，还需进行生命周期评估，以确定3D打印电极与传统材料在可持续性方面的比较，同时，评估其对运营成本的影响对于产业化进程至关重要。

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本文内容来自FESE期刊2025年第19卷第1期发表的综述文章 “Leveraging 3D printing in microbial electrochemistry research: current progress and future opportunities”。通讯作者为丹麦技术大学的张翼峰副教授。

引用格式：Mingyi Xu, Miriam Fernandez-Avila Cobo, Danfei Zeng, Yifeng Zhang. Leveraging 3D printing in microbial electrochemistry research: current progress and future opportunities. Front. Environ. Sci. Eng., 2025, 19(1): 1 https://doi.org/10.1007/s11783-025-1921-y

Special Issue—Young Talent

作者简介

张翼峰，男， 1982年生。2012年博士毕业于丹麦技术大学（DTU）环境工程学院，现任该学院教授（终身教职），博士生导师。主要研究方向为微生物电化学技术原理及其与传统污水处理工艺的耦合与创新应用，专注于厌氧消化及深度发酵、废水处理及资源回收、生物传感、生物能源合成、生物产氢产甲烷、生物修复、废水脱氮脱盐等。丹麦嘉士伯基金会杰出青年基金获得者。发表SCI论文80余篇（第一作者或通讯作者?60篇），其中在环境领域顶级期刊Energy & Environmental Science, Environmental science & Technology, Water Research三刊共发文20余篇，被引频次超2700余次，H-index为28.

期刊简介

Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊。

主编：曲久辉院士，John Crittenden院士

期刊官网1（国内免费获取）

http://journal.hep.com.cn/fese

期刊官网2

www.springer.com/journal/11783

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