Electrochemical monitoring of the bio-assimilation of 1,4-butanediol by Acetobacter aceti for bio-upcycling

《Microchemical Journal》：Electrochemical monitoring of the bio-assimilation of 1,4-butanediol by Acetobacter aceti for bio-upcycling

　　

生物上行循环（bio-upcycling）是指将低价值的有机废物和塑料废物化学转化为高价值化合物的过程。本研究展示了一种低成本混合2D喷墨打印/3D打印电化学平台的应用，该平台专门设计用于容纳连续细菌培养中的少量样品，并集成先前开发的PLS?金电极（PLS-Au electrode），以实现对1,4-丁二醇（1,4-BD）在醋杆菌（Acetobacter aceti）生物同化过程中消耗速率的快速电化学监测。该方法基于1,4-BD在金电极（Au electrode）上碱性溶液中可被电氧化的特性。研究人员详细研究了A. aceti在以1,4-BD为唯一碳源的培养基中生长的能力。结果表明，野生型A. aceti无需基因改造即可同化1,4-BD并将其转化为高附加值产品。所开发平台在碱化合成BASE培养基中对1,4-BD的检测灵敏度为0.037 mA·L·cm-2·mmol-1，检测限（LOD）为0.40 mmol·L-1，定量限（LOQ）为1.33 mmol·L-1，传感器间变异系数（RSD）为12%。该方法能够有效监测A. aceti培养过程中1,4-BD的消耗情况，为生物上行循环过程的实时监控提供了一种快速、低成本的新策略。

论文解读：基于电化学传感技术的1,4-丁二醇生物同化过程监测研究

一、研究背景与意义

随着塑料废弃物污染问题的日益严峻，生物上行循环作为一种绿色可持续的废物资源化策略受到广泛关注。该技术通过微生物或酶的作用，将低价值的有机废物或塑料降解产物转化为高附加值的化学品。1,4-丁二醇（1,4-BD）是聚氨酯（PU）和多种聚酯（如PBT、PBAT）的重要单体及扩链剂，全球年产量约250万吨，因此成为生物上行循环研究中最常涉及的分子之一。传统上，1,4-BD浓度的测定依赖气相色谱或液相色谱技术，虽然精度高，但耗时长且需专业人员操作。相比之下，电化学传感器因其响应快、灵敏度高、易于小型化和便携化等优势，在快速分析领域展现出巨大潜力。然而，截至目前，电化学传感器尚未被报道应用于生物上行循环过程的监测。本研究旨在填补这一空白，开发一种低成本、快速响应的电化学平台，用于实时监测A. aceti在生物同化1,4-BD过程中的底物消耗速率。该研究发表于《Microchemical Journal》。

二、关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：

1. 1.
   Print-Light-Synthesis（PLS）技术：利用喷墨打印结合紫外光诱导还原，在聚酰亚胺（PI）基底上一步法原位制备金薄膜电极（PLS-Au电极）。该工艺无需纳米颗粒预合成及后续高温烧结处理，墨水不含金纳米颗粒和稳定剂，环保且成本低廉。
2. 2.
   熔融沉积建模（FDM）3D打印技术：使用热塑性聚氨酯（TPU）基弹性体丝材，通过Prusa MKi3S打印机打印定制化的电化学微池，用于容纳微量培养液上清并进行电化学检测。
3. 3.
   电化学分析方法：采用循环伏安法（CV）在三电极体系中进行检测，以PLS-Au电极为工作电极（WE）、铂丝为对电极（CE）、Ag/AgCl/3M KCl为参比电极（RE），在碱化后的培养基中测定1,4-BD的电氧化峰电流。

三、研究结果

3.1 A. aceti在营养丰富的MRS培养基和合成BASE培养基中的生长

研究人员通过测量600 nm处光密度（OD_600nm）绘制了A. aceti的生长曲线。在MRS培养基中，细菌生长迅速，滞后期约4小时，最终细胞干重浓度达0.729 mg/mL。在仅含1,4-BD作为唯一碳源的合成BASE培养基中，细菌仍能生长，但滞后期显著延长至约48小时，最终细胞干重浓度为0.113 mg/mL，约为MRS培养基中的六分之一。这表明野生型A. aceti无需基因改造即可同化1,4-BD，而葡萄糖无法在该合成培养基中被其代谢。此外，与乙醇相比，1,4-BD因沸点更高（235°C vs. 78°C）蒸发损失更少，因而表现出更短的滞后期和更高的平台期菌密度。

3.2 PLS-Au电极对1,4-BD的电化学响应

在0.1 M KOH（pH 12.94）碱性环境中，1,4-BD在PLS-Au电极上发生不可逆电氧化反应，峰电位约为0.176 V。校准曲线显示，峰电流密度与1,4-BD浓度在0–10 mmol/L范围内呈良好线性关系（R2=0.994），灵敏度为0.123 mA·L·cm^-2·mmol^-1，检出限（LOD）为0.89 mmol/L，定量限（LOQ）为2.96 mmol/L。由于原始合成BASE培养基pH为6.8不利于电化学检测，研究人员将其碱化至pH 12.94后再进行测试。在碱化BASE培养基中，1,4-BD的氧化峰电位移至0.137 V，灵敏度降至0.037 mA·L·cm^-2·mmol^-1，但线性更好（R2=0.999），LOD更低（0.40 mmol/L），LOQ为1.33 mmol/L。四支独立制备的电极间的相对标准偏差（RSD）为12%，表明批次间重现性可接受。干扰实验证实，培养基中微量金属盐及可能的代谢产物琥珀酸均不产生干扰信号。

3.3 A. aceti培养过程中1,4-BD消耗的电化学监测

研究人员在A. aceti批式培养过程中，于选定时间点采集1 mL培养液，离心去除菌体后取900 μL上清液，转移至3D打印电化学微池中，先测定pH，再用10 M KOH碱化至pH 12.94后进行CV检测。结果显示，电化学方法能够清晰追踪1,4-BD随培养时间的消耗趋势，与OD_600nm和pH变化趋势一致，验证了该平台用于生物上行循环过程实时监测的可行性。

四、总结与结论

本研究成功开发了一种由PLS-Au电极和3D打印微池组成的低成本混合电化学平台，实现了对A. aceti生物同化1,4-BD过程中底物消耗的快速、灵敏监测。研究证实，野生型A. aceti能够在以1,4-BD为唯一碳源的合成培养基中生长，无需基因工程改造。该电化学传感器在碱化复杂基质中表现出良好的线性响应、低检测限和可接受的批次间重现性。研究结论指出，这种电化学监测策略为生物上行循环过程的在线、实时监控提供了新的技术手段，有望推动塑料废弃物资源化利用的工业化进程。