Distinct voltage signals of sediment microbial fuel cell sensors in sensing various contaminants  

沉積物微生物燃料電池傳感器在感知不同污染物時的獨特電壓信號  

來源：Electroanalysis, Volume 36, 2024, Article Number e202300394,

《電分析》期刊2024年第36卷，文章編號e202300394  

 

摘要內容：  

該研究探究了沉積物微生物燃料電池（SMFC）傳感器在感知不同類型污染物時的電壓響應特性。SMFC傳感器以陰極作為傳感元件，通過電壓信號在線原位監(jiān)測污染物。研究發(fā)現：氧化性重金屬（Cu2?、Cr??）和酸（HCl）引發(fā)電壓峰值；堿（NaOH）導致電壓下降；非氧化性重金屬（Ni2?、Zn2?）和鹽（NaCl）無顯著信號。X射線光電子能譜（XPS）證實Cu2?和Cr??在陰極表面被還原為單質Cu和Cr3?。土壤中產電菌群多樣性分析表明，污染物會改變表層土壤中產電菌的豐度，但中深層土壤的微生物群落穩(wěn)定性保障了傳感器持續(xù)運行。  

 

研究目的：  

闡明SMFC傳感器對不同類型污染物（重金屬、鹽、酸、堿）的傳感性能差異。  

 

揭示電壓信號產生的電化學機制及污染物在陰極的還原路徑。  

 

評估污染物對沉積物中產電菌群落結構和豐度的影響。  

 

研究思路：  

系統(tǒng)構建：在模擬濕地中建立SMFC傳感器（不銹鋼陽極+陰極），通過電阻（20 kΩ）連接并實時記錄電壓。  

 

污染物添加：向陰極上覆水添加五類污染物溶液（濃度梯度）：  

 

氧化性重金屬：Cu2?（5-240 mg/L）、Cr??（5-240 mg/L）  

 

非氧化性重金屬：Ni2?（5-240 mg/L）、Zn2?（5-240 mg/L）  

 

鹽：NaCl（20-400 g/L）  

 

酸：HCl（pH 0.52-6.44）  

 

堿：NaOH（pH 7.52-13.63）  

信號分析：以電壓增量（ΔU = 峰值電壓 - 基線電壓）為指標，評估檢測限、線性范圍和靈敏度。  

 

機制驗證：通過XPS分析陰極表面元素價態(tài)（圖3），結合土壤理化性質（表1）和產電菌群落測序（圖4-5），闡明信號產生機制及生物穩(wěn)定性。  

 

 

 

 

測量的數據及研究意義

電壓響應數據：記錄添加污染物后的實時電壓變化（圖1）。意義：量化不同污染物的信號特征（峰/谷/無響應），確定檢測限（Cu2?/Cr??: 5 mg/L；HCl: pH 3.51；NaOH: pH 11.50）和線性范圍（圖2）。來源圖1、圖2。  

 

 

陰極表面元素價態(tài)：XPS分析顯示Cu2?還原為Cu?（峰位932.4 eV），Cr??還原為Cr3?（峰位577.1 eV），而Ni2?/Zn2?未還原（圖3）。意義：證實氧化性重金屬通過陰極還原反應消耗電子引發(fā)電壓峰，解釋信號特異性機制。來源圖3。  

 

土壤污染物分布：表層土壤中可交換態(tài)重金屬濃度顯著高于中底層（Cu2?: 0.95 vs. 0.83-0.89 mg/kg；表1）。意義：說明污染物在表層富集但毒性被土壤緩沖作用削弱。來源表1。  

 

產電菌群落數據：  

 

豐度：Cu2?/Cr??/OH?顯著降低表層土壤產電菌豐度（16S rRNA基因拷貝數下降；圖4a）。  

 

多樣性：污染物使Simpson多樣性指數在表層顯著升高（圖5），優(yōu)勢菌群（芽孢桿菌、梭菌）被耐污菌（Anabaena等）替代（圖4b）。  

 

   意義：揭示微生物群落重組是傳感器抗干擾能力的生物學基礎。來源圖4、圖5。  

 

結論：  

信號特異性機制：  

 

氧化性重金屬（Cu2?/Cr??）在陰極發(fā)生還原反應（Cu2?→Cu?, Cr??→Cr3?），消耗電子產生電壓峰（ΔU與濃度線性相關；Cu2?靈敏度0.80 mV·L/mg）。  

 

酸（H?）加速陰極氧還原反應（4H?+O?+4e?→2H?O），產生電壓峰（ΔU與pH負相關，靈敏度-90.64 mV/pH）。  

 

堿（OH?）消耗H?阻礙氧還原，導致電壓驟降（ΔU與pH正相關，靈敏度-23.45 mV/pH）。  

 

非氧化性重金屬（Ni2?/Zn2?）無還原反應，不產生顯著信號。  

系統(tǒng)穩(wěn)定性：污染物在表層土壤被固定（Cr??→Cr3?）或緩沖（pH變化衰減至深層），且產電菌群落多樣性提供"保險效應"（耐污菌替代敏感菌），保障傳感器長期運行。  

 

應用潛力：SMFC傳感器可特異性識別氧化性重金屬、酸、堿污染，尤其適用于堿性污染（唯一引發(fā)電壓下降的信號）。  

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據的研究意義：  

丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（Microsensor Multimeter Version 2.01）用于測量污染物溶液的pH、電導率（EC）和氧化還原電位（ORP）。研究意義包括：  

關鍵參數關聯(lián)：ORP數據直接關聯(lián)污染物氧化還原特性（如Cr??的ORP＞1.0 V解釋其強氧化性），為圖3的陰極還原反應提供熱力學依據（E°(Cr??/Cr3?)=1.23 V）。  

 

溶液性質量化：  

 

pH測量精準控制酸/堿污染梯度（HCl: pH 0.52-6.44；NaOH: pH 7.52-13.63），解釋電壓信號對H?濃度的敏感性（圖2）。  

 

EC數據揭示NaCl溶液電導率與濃度正相關（20-400 g/L），但離子對效應導致高濃度時電導增益飽和，解釋圖1中NaCl電壓峰無濃度依賴性。  

原位監(jiān)測優(yōu)勢：Unisense電極無需取樣，實時捕捉溶液動態(tài)變化，避免傳統(tǒng)電極的取樣擾動，確保電壓信號（圖1）與環(huán)境參數（pH/EC/ORP）的時空同步性。