研究簡介:近年來水質安全問題日益受到關注。微生物燃料電池（MFC）作為一種新型的生物傳感器，具有在線監測水質毒性的潛力。然而目前對于MFC在不同運行條件下（如流速和培養時間）的毒性響應特性研究較少。本文研究了微生物燃料電池（MFC）作為毒性傳感器的性能如何受到陽極生物膜在不同運行條件（流速和培養時間）下的結構和功能變化的影響。研究以2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）為模型毒物，通過改變流速（0.5、2、5 mL/min）和培養時間（7、45、90天），結合電化學測試、微生物群落分析、共聚焦顯微鏡觀察和微電極原位測定，揭示了運行條件對MFC毒性響應的影響機制。結果表明在流速為2 mL/min、培養時間為7天時，MFC的毒性響應最快（4小時），抑制率最高（45.1%），功率密度達到1137 mW/m2。過高的流速或過長的培養時間會降低Geobacter的相對豐度，增加產甲烷菌的含量，并增加胞外聚合物（EPS）的厚度，從而減弱電子傳遞效率，延長毒性響應時間。研究表明，適當提高流速并縮短培養時間可以顯著提高MFC作為毒性傳感器的靈敏度和準確性。未來的研究需要進一步探討pH、溫度等其他運行條件對MFC性能的影響。

Unisense微電極測定系統的應用

使用Unisense微電極系統測量生物膜內的ORP（氧化還原電位）梯度。使用尖端直徑為10μm的ORP微電極與Ag/AgCl參比電極（REF-10）聯用，通過8通道系統主機系統進行測量。在MFC穩定運行的不同條件下，將微電極垂直插入200μm厚的生物膜內，以10μm的步距進行掃描，獲取ORP的深度剖面。通過測量不同流速（0.5、2、5 mL/min）和培養時間（7、45、90天）下的ORP梯度，發現流速和培養時間對生物膜內的ORP變化有顯著影響。ORP梯度與生物膜的電子傳遞能力和毒性響應時間呈負相關，表明ORP梯度可以作為評估MFC毒性響應靈敏度的一個重要指標。

實驗結論

作為生物傳感器，微生物燃料電池（MFC）的毒性響應顯著受到不同運行條件（如流速和培養時間）下陽極生物膜的結構和特性的影響。流速和培養時間不僅影響MFC的微生物群落結構，尤其是Geobacter屬細菌的含量，還影響胞外聚合物（EPS）的組成、生物膜間的氧化還原電位（ORP）以及完整細胞的構象。流速主要影響生物膜間的ORP，而延長培養時間則會增加產甲烷菌的含量。EPS含量表明運行條件可以影響微生物的性能。結果表明在流速為2 mL/min、培養時間為7天時，MFC的毒性響應最快（4小時），抑制率最高（45.1%），功率密度達到1137 mW/m2。過高的流速或過長的培養時間會降低Geobacter的相對豐度，增加產甲烷菌的含量，并增加胞外聚合物（EPS）的厚度，從而減弱電子傳遞效率，延長毒性響應時間。適當提高流速并縮短培養時間可以顯著提高MFC作為毒性傳感器的靈敏度和準確性。

圖1、不同條件下MFC輸出電壓曲線及抑制率。(a)流速影響：展示了0.5、2和5 mL/min三種流速下MFC輸出電壓隨時間變化曲線。2 mL/min時電壓下降最快，表明毒性響應最敏感。(b)培養時間影響：比較7天、45天和90天培養的生物膜響應特性。7天培養的生物膜響應最快(4小時)，90天培養的響應延遲至8小時。(c)抑制率數據：0.5、2和5 mL/min流速下的抑制率分別為8.4%±1.6%、45.1%±5.3%和4.9%±0.3%；7天、45天和90天培養的抑制率分別為45.1%±5.3%、32.6%±6.6%和23.2%±1.3%。

圖2、功率密度曲線與微生物群落結構。(a)流速影響：2 mL/min時獲得最高功率密度(1137.0±65.5 mW/m2)，0.5和5 mL/min分別為462.2±113.0和846.8±37.1 mW/m2。(b)培養時間影響：7天培養功率密度最高(1137.0±65.5 mW/m2)，45天和90天分別為980.6±42.2和950.8±125.1 mW/m2。(c)門水平微生物組成：主要包含變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)等。7天培養時變形菌門占比最高(68%)，隨培養時間延長而減少。

圖3、不同流速和培養次數下的CV曲線(a)0.5mL/min流速；2 mL/min、5 mL/min；(b)培養時間為7天、45天、90天。

圖4、生物膜ORP梯度與CLSM圖像。(a)0.5mL/min、2 mL/min、5 mL/min流速下的OPR曲線和CLSM圖像；(b)0.5 mL/min的圖像；(c)2 mL/min的圖像；(d)5 mL/min的圖像；(e)培養7天、45天、90天的OPR曲線；(f)7天的圖像；(g)45天的圖像；(h)90天影像。

圖5、不同流速和培養時間對EPS的影響(a)0.5 mL/min、2 mL/min、5 mL/min；(b)培養時間為7天、45天、90天。

結論與展望

本研究系統探討了微生物燃料電池（MFC）作為毒性傳感器的性能如何受陽極生物膜在不同運行條件（流速、培養時間）下的結構-功能變化影響。研究人員以2,4-DCP為模型毒物，在0.5–5 mL min?1三種流速及7–90d三種培養周期下進行實驗，結合電化學測試、微生物群落分析、共聚焦顯微觀察和微電極原位測定，揭示了運行條件-生物膜-毒性響應的耦合機制。研究表明，流速和培養時間對MFC的毒性響應有顯著影響。流速過高或過低均會降低MFC的靈敏度，而適當的流速（2 mL/min）和較短的培養時間（7天）可以顯著提高MFC的毒性響應靈敏度。長期培養會導致生物膜增厚，增加電子傳遞阻力，降低靈敏度。此外微生物群落結構和EPS含量的變化也會影響MFC的性能。Unisense ORP微電極系統在本論文中用于測量生物膜內的氧化還原電位（ORP）梯度。通過將微電極垂直插入200μm厚的生物膜內，以10μm的步距進行掃描，獲取ORP的深度剖面，通過高精度測量生物膜內的ORP梯度，幫助研究人員深入理解了運行條件對MFC性能的影響機制，為優化MFC作為毒性傳感器的運行條件提供了重要依據。

相關文章：

微電極測試系統實驗步驟與條件【應用實例】