Spatial distribution of biofilm conductivity in a Geobacter enriched anodic biofilm  

富集Geobacter的陽極生物膜中電導(dǎo)率的空間分布  

來源：Chemical Engineering Journal, 404 (2021) 126544

《化學(xué)工程雜志》第404卷 2021年 文章編號(hào)126544

 

摘要內(nèi)容：  

研究首次揭示了厘米級(jí)尺度下陽極生物膜電導(dǎo)率（K_{\text{bio}}）的空間分布規(guī)律及其與生物膜厚度（L_f）的關(guān)聯(lián)。通過構(gòu)建八電極金陣列陽極（圖1B），發(fā)現(xiàn)：  

1. 厚度效應(yīng)：當(dāng)生物膜厚度從19±1.7μm增至45±5.1μm時(shí)，平均K_{\text{bio}}從0.63±0.4 mS/cm提升至1.43±0.16 mS/cm（圖4a），電流密度同步從1.15±0.12 A/m2增至2.1±0.02 A/m2（表1）。  

2. 底物依賴性：乙酸饑餓3天（Phase 3）導(dǎo)致K_{\text{bio}}驟降83%至0.24±0.03 mS/cm（圖5），電流密度跌至0.09 A/m2；恢復(fù)供底物后14天，K_{\text{bio}}回升至1.24±0.03 mS/cm（Phase 4）。  

3. 微生物分布：Geobacter在25μm電極間隙區(qū)域占比超85%（圖6），但在0.5 cm寬間隙區(qū)僅占1%，被紅假單胞菌（Rhodopseudomonas sp.，52%）取代，表明長距離電子傳遞存在菌種特異性限制。  

 

 

 

 

 

研究目的：  

1. 量化多電極陣列上生物膜電導(dǎo)率的空間異質(zhì)性  

2. 闡明生物膜厚度、底物可用性與K_{\text{bio}}的關(guān)聯(lián)機(jī)制  

3. 揭示Geobacter富集生物膜的電子傳遞動(dòng)力學(xué)特性  

 

研究思路：  

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：構(gòu)建雙室MXC，采用八電極金陣列陽極（圖1A-C），分四階段操作：Phase 1（穩(wěn)態(tài)薄生物膜）、Phase 2（增厚生物膜）、Phase 3（乙酸饑餓）、Phase 4（底物恢復(fù)）。  

2. 關(guān)鍵測量：  

   ? 電導(dǎo)率（K_{\text{bio}}）：雙探針法測量電極對間電導(dǎo)（圖2A）  

 

   ? 生物膜厚度（L_f）：Unisense微電極系統(tǒng)（丹麥）以5μm步長掃描界面電阻突變點(diǎn)（圖2B）  

 

   ? 微生物群落：16S rRNA測序分析電極間隙區(qū)生物膜（圖6）  

 

3. 關(guān)聯(lián)分析：結(jié)合CV曲線（圖7）與Nernst-Monod模型，驗(yàn)證K_{\text{bio}}對電子傳遞動(dòng)力學(xué)的調(diào)控作用。  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義：  

1. 電導(dǎo)率與厚度正相關(guān)（圖4a,b）  

   ? 數(shù)據(jù)：電極3-4處L_f=53±3μm時(shí)K_{\text{bio}}最高（1.64 mS/cm），電極7-8處L_f=38μm時(shí)K_{\text{bio}}最低（1.15 mS/cm）  

 

   ? 意義：證實(shí)厚生物膜（<55μm）可提升電子傳遞效率，為高電流密度MXC設(shè)計(jì)提供依據(jù)  

 

2. 底物饑餓的敏感性（圖5）  

   ? 數(shù)據(jù)：Phase 3中K_{\text{bio}}降至0.24±0.03 mS/cm（較Phase 2下降83%）  

 

   ? 意義：揭示ARB代謝活性與K_{\text{bio}}的直接耦合關(guān)系，強(qiáng)調(diào)底物持續(xù)供給對維持電活性的必要性  

 

3. 微生物群落空間分異（圖6）  

   ? 數(shù)據(jù)：25μm窄間隙區(qū)Geobacter占比>85%，0.5 cm寬間隙區(qū)紅假單胞菌占主導(dǎo)（52%）  

 

   ? 意義：表明電子傳遞距離限制菌種定殖，Geobacter主導(dǎo)短距離傳導(dǎo)而紅假單胞菌可能介導(dǎo)長距離電子傳遞  

 

4. 半飽和電位（E_{KA}）（圖7）  

   ? 數(shù)據(jù)：高K_{\text{bio}}區(qū)域（電極3-4）E_{KA}=-0.297 V（vs SHE），低K_{\text{bio}}區(qū)域（電極7-8）E_{KA}=-0.213 V  

 

   ? 意義：低E_{KA}與高電導(dǎo)率、厚生物膜協(xié)同提升電催化活性，驗(yàn)證Nernst-Monod模型適用性  

 

結(jié)論：  

1. 厚度驅(qū)動(dòng)電導(dǎo)提升：生物膜增厚至45μm可顯著提高K_{\text{bio}}（1.43 mS/cm）和電流密度（2.1 A/m2），但>55μm時(shí)可能受質(zhì)子積累限制。  

2. 底物動(dòng)態(tài)調(diào)控：乙酸饑餓導(dǎo)致K_{\text{bio}}崩潰（83%降幅），恢復(fù)供底物后14天可部分復(fù)原，證明代謝活性是電導(dǎo)維持前提。  

3. 空間異質(zhì)性機(jī)制：Geobacter在短間隙區(qū)主導(dǎo)導(dǎo)電，寬間隙區(qū)由紅假單胞菌替代，揭示電子傳遞距離的菌種適應(yīng)性差異。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：  

使用Unisense微電極系統(tǒng)結(jié)合微操縱儀（MM33）以5μm步長掃描生物膜-電極界面：  

1. 精準(zhǔn)定位厚度：通過電阻突變點(diǎn)（從>MΩ至0.2-0.3Ω）識(shí)別生物膜表面與電極接觸面（圖2B），實(shí)現(xiàn)L_f無損測量（誤差<5μm）。  

2. 解析空間異質(zhì)性：在八電極陣列不同位點(diǎn)獲取厚度分布（如電極3-4處53μm vs 7-8處38μm），揭示電導(dǎo)率空間差異的物理基礎(chǔ)（圖4a）。  

3. 動(dòng)態(tài)監(jiān)測能力：Phase 3饑餓階段捕捉到L_f不變但電導(dǎo)崩潰現(xiàn)象，證明厚度非唯一決定因素，代謝活性是關(guān)鍵。  

4. 技術(shù)優(yōu)勢：微米級(jí)分辨率克服傳統(tǒng)方法局限，原位無損測量為生物膜電化學(xué)模型提供關(guān)鍵參數(shù)。