细菌源生物活性化合物功能化电极：水体砷(Ⅲ)污染电化学检测新策略

本研究针对水体砷(Ⅲ)污染检测难题，创新性地利用Bacillus licheniformis B3-15分泌的胞外多糖(EPS B3-15)和Bacillus horneckiae SBP3产生的生物表面活性剂(BS-SBP3)修饰丝网印刷金电极(SPGE)，开发出灵敏度达0.03 nM的传感器SPGE-BS-SBP3，其检测限远低于WHO规定的10 μg/L标准，为重金属污染监测提供了环境友好型解决方案。

　　

砷污染是威胁全球饮用水安全的重大环境问题，其中毒性更强的三价砷(As³⁺)在自然水体中的浓度常超出世界卫生组织(WHO)规定的10 μg/L限值。传统检测方法存在设备昂贵、操作复杂等缺陷，尤其在资源匮乏地区难以推广应用。针对这一挑战，来自意大利埃奥利群岛极端环境研究中心的科研团队创新性地将海洋嗜热菌代谢产物与电化学传感技术结合，在《Sensors and Actuators Reports》发表了突破性研究成果。

研究团队采用分子动力学(MD)模拟与密度泛函理论(DFT)计算指导传感器设计，通过两步共价修饰法将Bacillus licheniformis B3-15产生的γ-聚谷氨酸(γ-PGA)修饰胞外多糖(EPS B3-15)和Bacillus horneckiae SBP3分泌的表面活性素(Surfactin)类生物表面活性剂(BS-SBP3)固定于丝网印刷金电极(SPGE)表面。电化学测试在pH 6.5-8.5模拟自然水体条件下进行，结合傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电镜(SEM)表征材料特性。

【3.1 电极合成与表征】
通过半胱氨酸甲基酯(Cys)和交联剂DMTMM实现生物分子共价固定，FT-IR证实酰胺键(1647 cm^-1)形成。SEM显示BS-SBP3修饰电极形成致密球形结构，而EPS-B3-15呈不规则聚合物聚集体，二者均显著增加电极粗糙度。

【3.2 电化学性能】
循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)分析表明，修饰电极有效表面积减小但选择性增强。SPGE-BS-SBP3因表面活性剂绝缘特性表现出最大电荷转移阻力，这与后续优异检测性能形成有趣反差。

【3.3 砷检测性能】
方波伏安法(SWV)显示SPGE-BS-SBP3对As³⁺的灵敏度达17.5 μA nM^-1cm^-2，是裸电极的19倍，检测限0.03 nM(0.4 μg/L)创同类传感器新低。在Al³⁺、Pb²⁺等干扰离子存在下仍保持优异选择性，实际水样加标回收率达97.33%。

【3.5 作用机制】
计算模拟揭示γ-PGA通过三齿配位(2.06 ?短键距)与As³⁺特异性结合，而Surfactin则形成金字塔形配位构型(键距1.82-2.09 ?)。相比二价铅离子(Pb²⁺)，As³⁺配合物稳定性高出5-30 kcal/mol，从原子层面解释了选择性来源。

该研究首次证实细菌源生物聚合物作为识别元件的可行性，开发的传感器在稳定性(6个月保持93%活性)和成本效益方面具有显著优势。通过整合极端微生物资源挖掘、分子模拟和电化学工程等多学科手段，为发展环境友好型重金属监测技术提供了新范式，对实现联合国可持续发展目标中"清洁饮水和卫生设施"目标具有重要实践意义。