生物电化学传感器中细菌共代谢与电子传递过程的研究

《Journal of Water Process Engineering》：Investigation of bacterial co-metabolism and electron transfer process in bioelectrochemical sensors

　　

摘要

本研究着眼于细胞外电子转移过程、微生物群落结构、共代谢途径以及功能特性对反应器性能的影响，系统比较了不同阳极材料与质子交换膜对微生物电解池运行效率的影响。实验结果表明，碳布阳极反应器及集成质子交换膜的碳布反应器虽长期稳定性较差，但在不同总有机碳和生化需氧量浓度下仍具有较高的响应精度。其中碳布反应器在1分钟内即可实现最佳的电流与总有机碳线性相关性（R²=0.980），且这一相关性在60分钟内仍保持稳定（R²=0.942）；而碳毛毡阳极反应器的稳定性和电流响应能力则相对较弱。此外，配备质子交换膜的微生物电解池在高四环素浓度环境下仍能保持较好的响应稳定性，其最大检测限可达16毫克/升，而在低浓度环境下碳毛毡阳极反应器的灵敏度更高。微生物群落分析显示，Geotalea菌在配备质子交换膜的反应器中占主导地位（29.98%），表明该反应器具有较强的细胞外电子转移潜力，同时Methanothrix和Desulfovibrio菌也在电子转移和电流产生过程中发挥着重要作用。总体而言，质子交换膜提升了生物电化学传感器在复杂污染物环境下的稳定性，本研究也凸显了微生物电解池在实时监测有机污染物和抗生素方面的应用前景，进一步强调了微生物共代谢和细胞外电子转移机制在优化微生物电解池性能中的关键作用，阐明了碳布阳极和质子交换膜在提升检测精度和稳定性方面的价值，为微生物电解池的优化及其在高级环境污染物监测中的应用提供了理论依据。

引言

有机污染长期以来一直是全球性的严峻环境问题，其主要原因在于有机污染物在自然生态系统中的高毒性、强生物累积性以及难以降解的特性[1]。在各类有机污染物中，抗生素和多氯联苯属于典型的持久性有机污染物，这类污染物可通过大气循环、河流径流和土壤渗滤等方式广泛迁移扩散，同时还具有很强的抗自然和人工降解能力，从而进一步加剧环境污染的程度[2]。因此，实现对有机污染物的实时精准监测是保障生态安全与水资源质量的重要前提。然而，传统水质检测方法存在操作耗时、检测效率低、成本高昂等固有缺陷，严重制约了有机污染监测技术的发展[3]。在此背景下，运用先进的生物电化学传感器技术进行实时污染监测，对于保障公众健康和维护生态环境具有重要意义。

生物电化学系统是一类先进技术，它利用电活性微生物催化可生物降解底物中的化学能转化为可用电能。作为一种创新的水质监测技术，近年来受到了学术界和工业界的广泛关注[4][5]。随着生物工程和电化学制造技术的不断发展，基于生物电化学系统的传感器的性能和生物相容性都得到了显著提升[6]。例如，Zhang等人研究表明，生物电化学系统能够有效调控水环境中抗生素抗性基因的横向传播，体现了该技术在污染物检测之外的多重环境效益[7]；Wan等人进一步验证了生物电化学系统不仅能去除污染物，还能回收有用资源，从而提升了其在循环环境管理中的实用价值[8]。此外，Jiang等人开发出一种高性能微生物电化学传感器，其对挥发性脂肪酸浓度的响应快速且稳定，为生物电化学系统作为水质异常预警传感器的可行性提供了有力证据[9]。

由于阳极的导电性和生物相容性等物理化学性质直接影响电活性微生物的细胞外电子转移过程，而这一过程又决定了传感器的整体性能，因此基于生物电化学系统的微生物电解池传感器成为了环境传感研究的重要焦点[10][11]。微生物电解池传感器通常分为双电极结构和三电极结构两类[12][13][14]。与双电极结构相比，三电极结构的优势在于能够通过精确控制阳极电位来降低阴极毒性，进而提高传感的稳定性和灵敏度，同时其阴极毒性也低于双电极结构[15][16][17]。此外，微生物电解池系统中内置的质子交换膜具有高质子传导性，既能加快质子传递速度，又能保护阳极周围的微生物群落免受外部环境干扰，因此三电极结构的微生物电解池在生物电化学领域有着广泛应用[18][19]。不过，质子交换膜也存在一些缺点，如制造成本高、内阻较大，这些因素可能会影响气体和液体在膜上的传质过程[20][21][22][23]。为了提升基于生物电化学系统的传感器的运行效率，并深入理解其工作原理，有必要系统研究阳极材料和质子交换膜在生物电化学系统架构中的作用及其对系统整体性能的多方面影响。

以往的研究表明，细胞外电子转移过程与生物电化学传感器的电信号输出之间存在密切关联[24]。虽然细胞外电子转移效率是决定生物电化学系统性能的关键因素，但影响它的还有细胞内外环境、细胞与电极之间的电子转移过程，以及细胞表面生物膜对电极表面的影响。这些因素会导致电子转移速率较低，从而成为提升系统性能的障碍[25][26][27]。例如，叠氮化物化学物质会干扰微生物的电子传输路径，增加系统电阻[28]；而使用与NADH/NAD+兼容的电子载体，如中性红，可以提高电子转移效率，进而提升系统性能[29][30]。此外，通过共代谢作用，阳极表面的电活性生物膜可以提高细胞外电子转移效率，增强信号输出的稳定性和重复性，从而大幅提升传感器性能[31]。不过，当处理复杂的水质样品时，阳极膜上电活性细菌与其他微生物之间的共生或竞争关系尚不明确[32]。同时，关于微生物在电化学反应中的具体作用以及微生物群落的组成，也缺乏深入研究[33]。因此，研究细胞外电子转移机制、微生物间的物质交换以及它们的竞争或协作关系，有助于培育更高效的微生物群落，并开发出更先进的监测工具。

生物电化学传感器的应用受到阳极材料选择、生物膜不完善的电子转移机制以及微生物与电极之间复杂相互作用的限制。本研究旨在比较不同阳极材料和质子交换膜对生物电化学传感器性能的影响，重点研究细胞外电子转移过程以及微生物将电子转移到阳极并转化为电能的机制。此外，本研究还探讨了微生物菌群的共代谢作用、阳极生物膜的结构和功能特性，以及菌群组成对反应器性能的影响。研究结果旨在为理解电活性生物膜和优化生物电化学传感器提供理论支持，同时促进微生物学与电化学领域的交流与合作。

章节要点

基于微生物电解池的生物传感器的制备

本研究采用立方体形状的丙烯酸板装置（5×9×9立方厘米）作为反应器，通过三电极和恒电位仪来制备微生物电解池。该反应器的内部为圆柱形，有效容积为236毫升。其中，Ag/AgCl电极作为参比电极，镀钌钛板则作为阴极。阳极材料选用碳毛毡，其表面积为24.62平方厘米，型号为W1S1005。

不同有机浓度检测时生物电化学反应器电流响应性能的比较

通过扫描电子显微镜观察了碳毛毡、碳布以及集成质子交换膜的碳布反应器的表面形态和孔隙结构（见图2a、b、c）。显微镜图像显示，碳毛毡中的碳纤维排列更为有序，且相互交织紧密，而碳布和集成质子交换膜的碳布反应器中的碳纤维直径则相对较细。此外，碳毛毡中的碳纤维孔隙分布不规则，堆叠松散，空间结构较为混乱。而微生物生物膜则……

结论

本研究结果表明，微生物电解池具有作为实时生物传感器监测有机污染物水平的巨大潜力，这类污染物包括抗生素、总有机碳和生化需氧量。此外，不同阳极材料（碳布和碳毛毡）以及不同反应器结构（单室反应器和带有质子交换膜的双室反应器）的微生物电解池在电响应能力和稳定性方面也存在差异。具体而言，基于碳布的微生物电解池具有更好的稳定性和电流输出性能。

作者贡献说明

Lin Wang：撰写原始稿件、验证研究结果、确定研究方法、进行正式分析、构建研究概念。Yuge Ma：撰写原始稿件、验证研究结果、确定研究方法、进行正式分析、构建研究概念。Ziying Liu：开展实验研究、进行正式分析、整理数据、构建研究概念。Qiaochu Liang：负责稿件审阅与编辑、验证研究结果、确定研究方法、构建研究概念。Yan Wang：负责软件应用、项目管理工作以及实验研究。Liang Xuan：负责资源协调以及实验研究工作。Chen Li：负责实验研究工作。Yang Zhang：

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省自然科学基金（编号：ZR2025QC254）、安徽省工业废水处理与资源化重点实验室（编号：DHSZ202308）以及中国安徽省重点研发计划（编号：2023t07020004）的资助。

Lin Wang|Yuge Ma|Ziying Liu|Qiaochu Liang|Yan Wang|Liang Xuan|Chen Li|Yang Zhang