《Biosensors and Bioelectronics》：A mediator-free microbial electrochemical biosensor based on
Escherichia coli nucleotide metabolism for rapid toxicity assessment of emerging contaminants
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本研究开发无需外源介体的微生物电化学传感器，基于大肠杆菌核苷代谢，采用MWCNT-COOH/ZnO纳米复合电极增强信号。检测双酚类（BPAF > BPA > BPF > BPS）和全氟化合物（PFOS IC50=1011.13 μM），实际水体显示城市区毒性高。该传感器操作简便、灵敏、成本低，适用于新兴污染物评估及水样安全检测。
齐峰|王佳颖|余子龙|张志鹏|郑慧子|曲娇|朱晓琳
中国东北师范大学环境学院湿地生态与植被恢复国家重点环境保护实验室，长春 130024
摘要
为应对新兴污染物带来的日益严重的环境风险以及有限的快速毒性评估工具问题，我们开发了一种无需中介体的微生物电化学生物传感器，该传感器利用了大肠杆菌的核苷酸代谢过程。该生物传感器能够直接检测电活性代谢物，无需外源性中介体，并通过氧化峰电流作为敏感的毒性指标。电极经过羧基化多壁碳纳米管和氧化锌（MWCNT-COOH/ZnO）的纳米复合改性，显著增强了电化学信号。机制研究表明，检测信号来源于鸟嘌呤和黄嘌呤的氧化。该生物传感器被用于检测四种双酚类化合物和两种全氟/多氟烷基物质。毒性顺序为：双酚AF > 双酚A > 双酚F > 双酚S，表明双酚AF的毒性风险高于双酚A。全氟辛烷磺酸的半数抑制浓度（IC50）为1011.13 μM，其替代品6:2氟调聚物磺酸在相同浓度下的毒性显著较低。该生物传感器还应用于实际的水样中，发现总体毒性较低（抑制率< 30%），但在人口密集的城市区域观察到更高的抑制率。该生物传感器具有操作简单、响应快速、成本低廉且不受水浊度或颜色影响的特点，为新兴污染物的毒性评估和实际水样的安全性评价提供了一个高效且灵敏的分析平台。
引言
双酚类物质以及全氟/多氟烷基物质（PFAS）是两大类值得关注的新兴污染物。以双酚A（BPA）为例，它广泛用于生产聚碳酸酯塑料和环氧树脂，这些材料常见于日常用品中（Luo等人，2025年）。研究表明，BPA及其多种替代品均具有不良影响，包括干扰内分泌系统以及损害神经、代谢、发育和免疫功能（Chen等人，2016年；Serra等人，2019年）。同时，由于具有疏油、疏水及化学稳定性，PFAS被广泛应用于灭火泡沫、表面处理剂和不粘锅等产品中（Islam等人，2025年）。由于PFAS的高持久性、生物累积潜力及多种毒性作用，传统PFAS如全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）正受到越来越多的限制。这促使人们使用各种替代品，如6:2氟调聚物磺酸（Liu等人，2024年；Suman和Kwak，2025年）。这些新兴污染物在多种环境介质中频繁被检测到，对生态系统和人类健康构成严重威胁（Due?as-Moreno等人，2022年；Jiang等人，2025年）。因此，开发快速灵敏的毒性评估方法对于保护水资源和生态健康至关重要。
传统的体外毒性评估方法，如MTT比色法和基于染色的细胞计数法，存在标记要求高、程序复杂、耗时较长的局限性（Gavanji等人，2023年；Ghasemi等人，2021年）。相比之下，电化学检测技术因不受样品浊度和颜色影响、操作简便且分析快速而受到广泛关注（Noori等人，2022年；Wang等人，2023年；Zhou等人，2025b）。其中，监测细胞核苷酸代谢过程中产生的电活性物质的方法尤其具有前景，因为它们具有直接的信号转导机制和明确的原理。这些方法已被用于评估重金属和抗生素等污染物的毒性（Zhu等人，2017年；Zhu等人，2024年）。然而，这些方法主要依赖于人类或鱼类细胞，存在培养周期长、成本高和操作复杂的缺点。为了克服这些问题，微生物模型提供了一个潜在的替代方案。然而，转向微生物模型也面临挑战。现有的微生物传感策略通常依赖外源性电子中介体来促进电子转移（Yang等人，2018年），这可能引入细胞毒性，并且效率受环境条件影响，导致信号不稳定（Wei等人，2024年）。此外，其他无需中介体的传感技术，如基于酶的传感器和分子印迹传感器，往往受到酶不稳定性和操作要求严格或抗干扰能力弱的限制（He等人，2024年）。因此，一种既无需中介体又能直接捕获核心微生物代谢产生的生物电信号的新策略非常有必要，以推动基于整个细胞的生物传感器的研发。
为了实现高灵敏度的核苷酸电活性代谢物检测，关键在于构建具有高比表面积、优异导电性和高效电催化活性的电极界面。为此，我们提出了一种结合两种材料互补特性的设计。氧化锌纳米粒子（ZnO）提供高比表面积和良好的生物相容性（Van Tran等人，2025年），而羧基化多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）则具备优异的导电性、一维电子传输路径和电催化活性（Li等人，2025年）。这两种材料的结合预计会产生协同效应，MWCNT-COOH的三维网络可以有效缓解ZnO的低导电性和聚集倾向。这种协同作用有望增加电化学活性位点的数量并降低电极反应的过电位，从而提供理想的检测平台。
在这项研究中，我们开发了一种基于大肠杆菌的无中介体电化学平台，用于评估新兴污染物的毒性。该平台直接监测细菌核苷酸代谢产生的电活性代谢物。采用MWCNT-COOH/ZnO纳米复合材料构建了高性能传感界面，其协同效应显著提高了检测灵敏度。该生物传感器成功应用于实际水样，利用了电化学方法对浊度和颜色的不敏感性。总体而言，这项工作为开发高效的微生物电化学传感器提供了有前景的策略，有助于评估新兴污染物的风险和实际水样的安全性。
试剂和材料
羧基化多壁碳纳米管（MWCNT-COOH，30–50 nm，纯度≥95%）和氧化锌纳米粒子（ZnO，30–80 nm，纯度≥99%）购自南京XFNANO材料科技有限公司（中国）。N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度≥99.5%）购自中国国药化学试剂有限公司。LB培养基和营养琼脂购自青岛Hope生物科技有限公司（中国）。50%无菌甘油溶液购自Sangon Biotech（中国）。
MWCNT-COOH/ZnO/GCE的表征
纳米材料的形态通过扫描电子显微镜（SEM）进行表征。MWCNT-COOH表现出典型的碳纳米管管状结构，管与管之间有明显的缠绕和缠结（图1B）。这种独特的缠绕特性有助于构建复杂的三维导电网络，为ZnO纳米粒子的负载提供了骨架。ZnO纳米粒子呈现棒状结构，并有一定程度的聚集（图1C）。
结论
我们开发了一种无需中介体的微生物电化学生物传感器，该传感器利用大肠杆菌的核苷酸代谢进行快速毒性评估。MWCNT-COOH/ZnO/GCE纳米复合材料的加入显著增强了代谢释放的嘌呤碱基（鸟嘌呤和黄嘌呤）的检测信号。该生物传感器被用于分析四种双酚类化合物和两种PFAS的毒性。双酚的毒性顺序为：BPAF > BPA > BPF > BPS，而PFOS的半数抑制浓度（IC50为
CRediT作者贡献声明
郑慧子：验证、软件开发。曲娇：监督、资金获取。朱晓琳：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学设计、资金获取。齐峰：撰写 – 初稿撰写、实验研究、数据分析。王佳颖：验证、软件开发、实验研究。余子龙：验证、软件开发、实验研究。张志鹏：验证、软件开发
未引用参考文献
Vl?du?等人，2022年；Wang等人，2025年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号42177371、42377048和42130705）以及吉林省生态与环境厅的环境保护科学研究项目（编号2025-15）的支持。
