Considerations on the use of microsensors to profile dissolved H2 concentrations in microbial electrochemical reactors  

关于使用微传感器分析微生物电化学反应器中溶解H₂浓度的考量  

来源：PLoS ONE 19(1):e0293734  

《PLoS 综合》第19卷第1期，文章编号e0293734  

 

摘要内容：  

摘要描述了开发一种使用微传感器测量标准H型微生物电化学反应器内溶解H₂浓度分布的方法。该方法通过水平放置石墨阴极，结合显微操作系统和立体显微镜精确定位微传感器，在维持厌氧条件（吹扫顶空）和严格控温（克服微传感器温度敏感性）下，从阴极表面向气液界面进行剖面测量。实验测试了接种产乙酸菌 Sporomusa ovata 与未接种（无菌对照）的反应器在三个时间点的H₂分布。结果显示，无菌对照组H₂随时间积累，而 S. ovata 能在整个实验期间维持液相低H₂浓度（<4 μM）。该方法虽能提供高分辨率的H₂分布信息，但也存在局限性：顶空吹扫降低溶解H₂浓度；微传感器在固体阴极表面附近测量可能不准确（阴极阻碍H₂扩散至传感器）；且反应器在测量后需废弃。

 

研究目的：  

开发并验证一种适用于标准H型微生物电化学反应器的溶解H₂微传感器剖面测量方法，揭示 S. ovata 对阴极H₂消耗的动态影响，并系统评估该方法的可行性与局限性。

 

研究思路：  

反应器改造：将阴极水平放置以适配微剖面系统，使用立体显微镜精确定位微传感器于阴极表面。  

 

环境控制：持续吹扫顶空（N₂/CO₂）维持厌氧条件，严格控温（30°C）以稳定微传感器信号。  

 

实验设计：对比6个反应器（3个接种 S. ovata，3个无菌对照），在0天、5天、17天进行剖面测量。  

 

数据验证：结合顶空气相色谱（GC）分析，对比微传感器在气液界面的测量结果。  

 

局限性分析：评估顶空吹扫、阴极表面扩散限制及反应器破坏性对测量的影响。

 

测量的数据及来源：  

溶解H₂浓度剖面：使用Unisense H₂微传感器（尖端直径~25 μm）测量从阴极表面（0 μm）至气液界面（5000 μm）的垂直浓度分布，分辨率25–100 μm（图3）。  

 

 

顶空H₂分压：通过气相色谱（GC）测量反应器顶空H₂浓度，转换为溶解H₂浓度（表A in S1 Appendix）。  

 

时间序列对比：无菌与接种反应器在0天、5天、17天的H₂分布动态（图3）。  

 

吹扫效应验证：重复剖面测量评估顶空吹扫对H₂浓度的降低作用（图4）。

 

 

数据的研究意义：  

揭示微生物代谢机制：证实 S. ovata 能高效消耗阴极产生的H₂，维持液相极低H₂浓度（<4 μM）（图3），支持其通过H₂介导的电子传递机制驱动微生物电合成（MES）。  

 

验证方法适用性：首次在标准H型反应器中实现高分辨率H₂剖面测量，为微生物电化学系统提供原位分析工具。  

 

暴露技术局限：  

 

顶空吹扫导致H₂被剥离（图4），需优化吹扫条件以减少误差。  

 

微传感器在阴极表面附近（<50 μm）因扩散受阻可能低估真实浓度（图5），提示近表面数据需谨慎解读。  

 

指导反应器设计：水平阴极不影响电化学性能，为类似研究提供改造依据。

 

结论：  

成功开发H₂微传感器剖面方法，可获取微生物电化学反应器内高分辨率溶解H₂分布。  

 

S. ovata 能持续维持阴极附近低H₂环境（<4 μM），而无菌对照组H₂随时间积累并形成近阴极浓度峰（图3B, C）。  

 

顶空吹扫会显著降低溶解H₂浓度（图4），操作时需尽量缩短吹扫时间。  

 

微传感器在固体阴极表面附近的测量值可能因扩散受限而失真（图5），建议测量点距阴极表面至少两倍于传感器尖端直径（>50 μm）。  

 

该方法具破坏性，反应器无法重复使用。

 

丹麦Unisense电极测量数据的详细研究意义：  

高分辨率动态监测：Unisense微传感器以25 μm步进分辨率捕捉阴极附近H₂梯度（图3），首次直接证实 S. ovata 在阴极表面高效消耗H₂（浓度始终<4 μM），而传统GC仅能检测顶空气体，无法反映液相微环境动态。  

 

揭示异常浓度峰成因：数据中出现的近阴极H₂峰（75–150 μm处）被证实非真实生物现象，而是因固体阴极阻碍H₂扩散至传感器尖端导致的测量假象（图5）。这一发现纠正了此前类似研究中对近阴极H₂累积的误读，为微传感器在固液界面测量提供了关键校正依据。  

 

量化微生物代谢能力：测得 S. ovata 维持的H₂浓度（0.07 μM检测限以下仍可操作）接近其已知H₂阈值（0.05 μM），证明微传感器足以解析微生物的极限代谢能力，但需注意其检测限（0.07 μM）可能不足以覆盖某些低阈值微生物。  

 

指导技术优化：数据表明减小传感器尖端直径可提升空间分辨率，但会牺牲灵敏度（检测限升高），需根据研究目标权衡选择。此外，剖面耗时约20分钟，期间吹扫引起的H₂损失（图4）凸显了开发非侵入式实时监测技术的必要性。