《Bioresource Technology》：Microbial fuel cell biosensors for converting hydroponic root-exudate-derived carbon into electrical signals
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•MFC生物传感器可测定根分泌物-有机酸混合物中的总COD。•柠檬酸和苹果酸驯化产生了相似的阳极微生物群落。•Ma-MFCs在15天培养期内平均绝对相对误差为10.63%。•组学谱表明氮和硫相关潜力存在差异。引言受控环境农业（CEA）正作为作物生产的资源高效方法迅速扩展，这在
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MFC生物传感器可测定根分泌物-有机酸混合物中的总COD。
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柠檬酸和苹果酸驯化产生了相似的阳极微生物群落。
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Ma-MFCs在15天培养期内平均绝对相对误差为10.63%。
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组学谱表明氮和硫相关潜力存在差异。
引言
受控环境农业（CEA）正作为作物生产的资源高效方法迅速扩展，这在耕地和粮食供应压力日益增加的情况下尤为突出，水培种植是其主要的生产形式之一。这一趋势反映在全球水培市场上，该市场2024年估值约147亿美元，预计到2033年将超过330亿美元（FAO, 2022; World Bank, 2023; IMARC Group, 2024）。尽管发展迅速，长期水培运营仍面临营养液管理和根区诊断方面的挑战。一个关键但常被忽视的因素是植物持续释放的根分泌物（RE）。在CEA系统中，RE主要来自人工光照下固定的光合碳，因此既代表碳分配途径，也是植物状态的生理信号。一旦释放到营养液中，这些化合物会重塑根区环境，刺激微生物或藻类生长，降低营养液质量，并增加换液频率（Hosseinzadeh et al., 2017）。因此，有效监测RE动态可以为诊断植物状态、改进营养液管理提供实时反馈，并减少对人工光照碳和能量投入的低效利用。
虽然LC-MS和GC-MS可以提供RE的详细组成信息，但这些方法设备要求高且运行时间长（McLaughlin et al., 2025），从而限制了其在水培栽培过程中连续原位监测的适用性。目前已开发出多种原位方法监测RE或相关根区化学信号，包括基于纸张的比色葡萄糖传感器、SWIR高光谱成像、荧光传感器以及用于pH、盐度和H2O2的电化学阵列（Antony et al., 2025; Coatsworth et al., 2024; Neelam and Tabassum, 2023; Patko et al., 2024）。这些方法展示了原位传感的潜力，但主要靶向特定化合物、局部化学变化或间接根区指标。在CEA系统中，相当一部分光合固定的碳可能以RE形式释放到营养液中，却在日常管理中常被忽视。因此，迫切需要一种能够在低浓度水培条件下定量估算RE-有机酸混合物总COD的方法。作为一种根分泌物传感平台，MFC兼具低成本、长期运行稳定性和机制可表征性好等综合优势，因而在原位、实时和连续监测方面具有相当大的潜力。
基于微生物燃料电池（MFC）的生物传感器提供了一条有前景的途径，通过直接将有机物转化为电信号来监测复杂水环境中的可生物降解有机物（Baik et al., 2026; Chang et al., 2004; Liu et al., 2024; Logan et al., 2006; Mahmoud et al., 2022）。与此同时，植物MFC也被广泛用于发电，证明RE可通过MFC系统转化为电信号（?ek et al., 2025）。这些发现共同表明了MFC方法在活体植物系统中定量监测RE的潜力。然而，将MFC作为生物传感器定量追踪活体植物释放的RE仍缺乏充分论证，特别是在揭示水培条件下光合固定的碳如何转移到根区有机碳库方面尚显不足。
虽然RE化学成分多样，但其大部分快速生物可利用信号与低分子量化合物相关，特别是柠檬酸、苹果酸和丙酮酸等有机酸，它们将植物碳分配与微生物底物利用和氧化还原代谢联系起来（Yang et al., 2025）。由于MFC生物传感器信号依赖于阳极生物膜将根源底物转化为胞外电子流，用代表性的RE相关有机酸进行驯化可能促进能够产生稳定电响应的群落形成，以应对复杂的低强度RE输入（Yao et al., 2026）。因此，我们假设有机酸驯化将改善MFC对水培RE的传感能力，并提供根源碳生物电化学处理的功能读出。
在本研究中，我们开发了一种自适应MFC策略，在水培条件下将生菜RE-有机酸混合物转化为电信号。以柠檬酸、丙酮酸和苹果酸作为代表性的RE相关有机酸对MFC生物膜进行驯化，以醋酸作为对照，检验底物引导的适应性是否可提高RE传感。随后使用真实生菜RE评估对低强度根源输入的可重复性和浓度依赖性响应。我们还结合16S rRNA测序、宏基因组学和代谢组学，将传感性能与驯化及RE暴露期间的微生物演替、功能潜力和代谢物谱联系起来。具有稳定RE响应的MFC经历了六个生菜生长周期，以评估长期稳定性和生物膜韧性。总体而言，本研究确立了自适应驯化作为改善MFC对复杂低强度根区有机输入传感的策略。
章节摘要
MFC生物传感器的构建与运行
MFC生物传感器被构建为双室、膜分隔系统。12个相同的双室MFC以经典配置（Logan et al., 2006）并联运行作为测试平台（图S1）。阳极室接种了从实验室规模厌氧消化器收集的厌氧活性污泥（Yin et al., 2022）。
生菜栽培与RE收集
生菜（Lactuca sativa L. 'Tiberius'品种）在受控植物工厂中按错时多批次计划进行栽培。
稳定电压输出的建立
驯化过程分为四个顺序阶段：以醋酸喂养为共同初始底物的启动期（A阶段）、有机酸特异性驯化期（B阶段）、有机酸和RE联合驯化期（C阶段）以及基于RE的稳定性测试期（D阶段）。这种分阶段策略用于逐步建立电活性生物膜并提高MFC后续底物响应的可重复性。在A阶段期间，所有MFC从零输出增至410–530的稳定峰值电压。
结论
本研究开发了一种自适应MFC生物传感策略，用于将水培生菜RE-有机酸混合物的总COD转化为电信号。通过RE相关有机酸驯化促成了阳极生物膜的形成，使其对低强度、复杂的RE输入具有响应性，其中苹果酸驯化的MFC表现出最稳定的定量性能。线性模型解释了超过90%的方差，样本内平均绝对相对误差为7.2%。
关于生成式AI及AI辅助技术在稿件准备过程中的声明
在准备本工作期间，作者使用了ChatGPT进行语言编辑和文本润色。作者根据需要审阅和编辑了输出内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。
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作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：黄思婕报告获得了中国农业科学院的财务支持。黄思婕报告与中国农业科学院存在雇佣关系。如有其他作者，他们声明不存在已知的竞争性财务利益或可能影响研究客观性的个人关系。
致谢
本工作得到了北京市自然科学基金（批准号6244058）和中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所基本科研业务费（BSRF202311）的支持。作者感谢中国农业大学柳智丹教授在本研究概念发展方面的宝贵指导以及在数据分析方面的支持。
刘星然|李涛|张玉琪|严晓芳|黄思婕|程瑞峰
