研究簡介:近年來水質(zhì)安全問題日益受到關(guān)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(jiān)測水質(zhì)毒性的潛力。然而目前對于MFC在不同運(yùn)行條件下（如流速和培養(yǎng)時(shí)間）的毒性響應(yīng)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(yùn)行條件（流速和培養(yǎng)時(shí)間）下的結(jié)構(gòu)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(yǎng)時(shí)間（7、45、90天），結(jié)合電化學(xué)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(yùn)行條件對MFC毒性響應(yīng)的影響機(jī)制。結(jié)果表明在流速為2 mL/min、培養(yǎng)時(shí)間為7天時(shí)，MFC的毒性響應(yīng)最快（4小時(shí)），抑制率最高（45.1%），功率密度達(dá)到1137 mW/m2。過高的流速或過長的培養(yǎng)時(shí)間會(huì)降低Geobacter的相對豐度，增加產(chǎn)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(yīng)時(shí)間。研究表明，適當(dāng)提高流速并縮短培養(yǎng)時(shí)間可以顯著提高M(jìn)FC作為毒性傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性。未來的研究需要進(jìn)一步探討pH、溫度等其他運(yùn)行條件對MFC性能的影響。

Unisense微電極測定系統(tǒng)的應(yīng)用

使用Unisense微電極系統(tǒng)測量生物膜內(nèi)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(lián)用，通過8通道系統(tǒng)主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測量。在MFC穩(wěn)定運(yùn)行的不同條件下，將微電極垂直插入200μm厚的生物膜內(nèi)，以10μm的步距進(jìn)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(yǎng)時(shí)間（7、45、90天）下的ORP梯度，發(fā)現(xiàn)流速和培養(yǎng)時(shí)間對生物膜內(nèi)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(yīng)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，表明ORP梯度可以作為評估MFC毒性響應(yīng)靈敏度的一個(gè)重要指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

作為生物傳感器，微生物燃料電池（MFC）的毒性響應(yīng)顯著受到不同運(yùn)行條件（如流速和培養(yǎng)時(shí)間）下陽極生物膜的結(jié)構(gòu)和特性的影響。流速和培養(yǎng)時(shí)間不僅影響MFC的微生物群落結(jié)構(gòu)，尤其是Geobacter屬細(xì)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(xì)胞的構(gòu)象。流速主要影響生物膜間的ORP，而延長培養(yǎng)時(shí)間則會(huì)增加產(chǎn)甲烷菌的含量。EPS含量表明運(yùn)行條件可以影響微生物的性能。結(jié)果表明在流速為2 mL/min、培養(yǎng)時(shí)間為7天時(shí)，MFC的毒性響應(yīng)最快（4小時(shí)），抑制率最高（45.1%），功率密度達(dá)到1137 mW/m2。過高的流速或過長的培養(yǎng)時(shí)間會(huì)降低Geobacter的相對豐度，增加產(chǎn)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(yīng)時(shí)間。適當(dāng)提高流速并縮短培養(yǎng)時(shí)間可以顯著提高M(jìn)FC作為毒性傳感器的靈敏度和準(zhǔn)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(shí)間變化曲線。2 mL/min時(shí)電壓下降最快，表明毒性響應(yīng)最敏感。(b)培養(yǎng)時(shí)間影響：比較7天、45天和90天培養(yǎng)的生物膜響應(yīng)特性。7天培養(yǎng)的生物膜響應(yīng)最快(4小時(shí))，90天培養(yǎng)的響應(yīng)延遲至8小時(shí)。(c)抑制率數(shù)據(jù)：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(yǎng)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(jié)構(gòu)。(a)流速影響：2 mL/min時(shí)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(yǎng)時(shí)間影響：7天培養(yǎng)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(yǎng)時(shí)變形菌門占比最高(68%)，隨培養(yǎng)時(shí)間延長而減少。

圖3、不同流速和培養(yǎng)次數(shù)下的CV曲線(a)0.5mL/min流速；2 mL/min、5 mL/min；(b)培養(yǎng)時(shí)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(yǎng)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(yǎng)時(shí)間對EPS的影響(a)0.5 mL/min、2 mL/min、5 mL/min；(b)培養(yǎng)時(shí)間為7天、45天、90天。

結(jié)論與展望

本研究系統(tǒng)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(yùn)行條件（流速、培養(yǎng)時(shí)間）下的結(jié)構(gòu)-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(yǎng)周期下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合電化學(xué)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(yùn)行條件-生物膜-毒性響應(yīng)的耦合機(jī)制。研究表明，流速和培養(yǎng)時(shí)間對MFC的毒性響應(yīng)有顯著影響。流速過高或過低均會(huì)降低MFC的靈敏度，而適當(dāng)?shù)牧魉伲? mL/min）和較短的培養(yǎng)時(shí)間（7天）可以顯著提高M(jìn)FC的毒性響應(yīng)靈敏度。長期培養(yǎng)會(huì)導(dǎo)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(jié)構(gòu)和EPS含量的變化也會(huì)影響MFC的性能。Unisense ORP微電極系統(tǒng)在本論文中用于測量生物膜內(nèi)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(nèi)，以10μm的步距進(jìn)行掃描，獲取ORP的深度剖面，通過高精度測量生物膜內(nèi)的ORP梯度，幫助研究人員深入理解了運(yùn)行條件對MFC性能的影響機(jī)制，為優(yōu)化MFC作為毒性傳感器的運(yùn)行條件提供了重要依據(jù)。

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