磁性电化学活性菌全细胞生物传感器：实现水质毒性实时监测的创新平台

本综述创新性地提出基于磁性电化学活性菌（MEAB）的全细胞生物传感器（WCBs），通过磁性吸附技术可在5秒内快速构建生物膜，突破传统电化学活性菌（EAB）培养耗时长、操作复杂的瓶颈。该传感器在连续流条件下实现Hg2+、Cr6+等污染物的快速检测（30分钟内），检测限达50.4-73.3 μg L?1，为水质毒性预警提供了革命性的实时监测方案。

　　

Highlight

本研究开发了一种基于磁性电化学活性菌（MEAB）的创新全细胞生物传感器（WCBs）平台，可通过实时监测MEAB细胞代谢相关的生物电信号来快速检测水中有毒污染物。在人工MEAB生物膜中，MEAB细胞能通过其天然产电呼吸过程氧化有机底物产生电子，而原位生物自组装的Fe₃O₄纳米颗粒（NPs）可显著提升细胞内/外电子传递效率。凭借MEAB细胞优异的磁响应特性，人工MEAB生物膜可在5秒内通过一步磁吸附构建完成，并在电解液连续流条件下保持稳定的基线信号，其构建速度远超以往报道的方法。同时，MEAB基WCBs在随机信号波动条件下实现了真实环境水样中有毒污染物的快速检测。本研究将进一步推动MEAB基WCBs在实时生物电子传感领域的发展。

Design and characterization of MEAB

希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）MR-1是电化学活性菌（EAB）和异化铁还原菌（DIRB）的模式菌株。据报道，该菌株凭借其强大的生物矿化能力可合成多种外膜或跨膜纳米颗粒（如Fe₃O₄、FeS、Ag、CdSe、Pd、Au和CuSe NPs）。在这些生物源纳米颗粒中，Fe₃O₄具有超顺磁性、半导体特性、电化学稳定性和生物相容性等优势。因此，选择希瓦氏菌MR-1和Fe₃O₄纳米颗粒分别作为宿主细胞和磁性纳米颗粒来设计MEAB。

Conclusion

总之，我们开发了一种创新的MEAB基WCBs，可用于实时高效感知水质毒性。MEAB优异的磁响应特性和增强的电子传递效率使我们能够在5秒内通过一步磁吸附构建电化学活性生物膜，并在电解液连续流条件下保持WCBs的稳定基线电流。WCBs的超短启动时间和极简检测设置意味着对人员专业要求极低，且适合在资源有限地区进行现场实时水质毒性预警。