研究简介:近年来水质安全问题日益受到关注。微生物燃料电池（MFC）作为一种新型的生物传感器，具有在线监测水质毒性的潜力。然而目前对于MFC在不同运行条件下（如流速和培养时间）的毒性响应特性研究较少。本文研究了微生物燃料电池（MFC）作为毒性传感器的性能如何受到阳极生物膜在不同运行条件（流速和培养时间）下的结构和功能变化的影响。研究以2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）为模型毒物，通过改变流速（0.5、2、5 mL/min）和培养时间（7、45、90天），结合电化学测试、微生物群落分析、共聚焦显微镜观察和微电极原位测定，揭示了运行条件对MFC毒性响应的影响机制。结果表明在流速为2 mL/min、培养时间为7天时，MFC的毒性响应最快（4小时），抑制率最高（45.1%），功率密度达到1137 mW/m²。过高的流速或过长的培养时间会降低Geobacter的相对丰度，增加产甲烷菌的含量，并增加胞外聚合物（EPS）的厚度，从而减弱电子传递效率，延长毒性响应时间。研究表明，适当提高流速并缩短培养时间可以显著提高MFC作为毒性传感器的灵敏度和准确性。未来的研究需要进一步探讨pH、温度等其他运行条件对MFC性能的影响。

Unisense微电极测定系统的应用

使用Unisense微电极系统测量生物膜内的ORP（氧化还原电位）梯度。使用尖端直径为10µm的ORP微电极与Ag/AgCl参比电极（REF-10）联用，通过8通道系统主机系统进行测量。在MFC稳定运行的不同条件下，将微电极垂直插入200µm厚的生物膜内，以10µm的步距进行扫描，获取ORP的深度剖面。通过测量不同流速（0.5、2、5 mL/min）和培养时间（7、45、90天）下的ORP梯度，发现流速和培养时间对生物膜内的ORP变化有显著影响。ORP梯度与生物膜的电子传递能力和毒性响应时间呈负相关，表明ORP梯度可以作为评估MFC毒性响应灵敏度的一个重要指标。

实验结论

作为生物传感器，微生物燃料电池（MFC）的毒性响应显著受到不同运行条件（如流速和培养时间）下阳极生物膜的结构和特性的影响。流速和培养时间不仅影响MFC的微生物群落结构，尤其是Geobacter属细菌的含量，还影响胞外聚合物（EPS）的组成、生物膜间的氧化还原电位（ORP）以及完整细胞的构象。流速主要影响生物膜间的ORP，而延长培养时间则会增加产甲烷菌的含量。EPS含量表明运行条件可以影响微生物的性能。结果表明在流速为2 mL/min、培养时间为7天时，MFC的毒性响应最快（4小时），抑制率最高（45.1%），功率密度达到1137 mW/m²。过高的流速或过长的培养时间会降低Geobacter的相对丰度，增加产甲烷菌的含量，并增加胞外聚合物（EPS）的厚度，从而减弱电子传递效率，延长毒性响应时间。适当提高流速并缩短培养时间可以显著提高MFC作为毒性传感器的灵敏度和准确性。

图1、不同条件下MFC输出电压曲线及抑制率。(a)流速影响：展示了0.5、2和5 mL/min三种流速下MFC输出电压随时间变化曲线。2 mL/min时电压下降最快，表明毒性响应最敏感。(b)培养时间影响：比较7天、45天和90天培养的生物膜响应特性。7天培养的生物膜响应最快(4小时)，90天培养的响应延迟至8小时。(c)抑制率数据：0.5、2和5 mL/min流速下的抑制率分别为8.4%±1.6%、45.1%±5.3%和4.9%±0.3%；7天、45天和90天培养的抑制率分别为45.1%±5.3%、32.6%±6.6%和23.2%±1.3%。

图2、功率密度曲线与微生物群落结构。(a)流速影响：2 mL/min时获得最高功率密度(1137.0±65.5 mW/m²)，0.5和5 mL/min分别为462.2±113.0和846.8±37.1 mW/m²。(b)培养时间影响：7天培养功率密度最高(1137.0±65.5 mW/m²)，45天和90天分别为980.6±42.2和950.8±125.1 mW/m²。(c)门水平微生物组成：主要包含变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)等。7天培养时变形菌门占比最高(68%)，随培养时间延长而减少。

图3、不同流速和培养次数下的CV曲线(a)0.5mL/min流速；2 mL/min、5 mL/min；(b)培养时间为7天、45天、90天。

图4、生物膜ORP梯度与CLSM图像。(a)0.5mL/min、2 mL/min、5 mL/min流速下的OPR曲线和CLSM图像；(b)0.5 mL/min的图像；(c)2 mL/min的图像；(d)5 mL/min的图像；(e)培养7天、45天、90天的OPR曲线；(f)7天的图像；(g)45天的图像；(h)90天影像。

图5、不同流速和培养时间对EPS的影响(a)0.5 mL/min、2 mL/min、5 mL/min；(b)培养时间为7天、45天、90天。

结论与展望

本研究系统探讨了微生物燃料电池（MFC）作为毒性传感器的性能如何受阳极生物膜在不同运行条件（流速、培养时间）下的结构-功能变化影响。研究人员以2,4-DCP为模型毒物，在0.5–5 mL min⁻¹三种流速及7–90d三种培养周期下进行实验，结合电化学测试、微生物群落分析、共聚焦显微观察和微电极原位测定，揭示了运行条件-生物膜-毒性响应的耦合机制。研究表明，流速和培养时间对MFC的毒性响应有显著影响。流速过高或过低均会降低MFC的灵敏度，而适当的流速（2 mL/min）和较短的培养时间（7天）可以显著提高MFC的毒性响应灵敏度。长期培养会导致生物膜增厚，增加电子传递阻力，降低灵敏度。此外微生物群落结构和EPS含量的变化也会影响MFC的性能。Unisense ORP微电极系统在本论文中用于测量生物膜内的氧化还原电位（ORP）梯度。通过将微电极垂直插入200µm厚的生物膜内，以10µm的步距进行扫描，获取ORP的深度剖面，通过高精度测量生物膜内的ORP梯度，帮助研究人员深入理解了运行条件对MFC性能的影响机制，为优化MFC作为毒性传感器的运行条件提供了重要依据。

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