研究簡(jiǎn)介:產(chǎn)電生物膜以獨(dú)特的方式呼吸，利用固體外部材料作為其新陳代謝的終端電子受體，這在生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）中作為催化劑很有意義，例如微生物燃料電池（MFC）和微生物電解電池（MEC），以及海水淡化、生物修復(fù)和傳感系統(tǒng)。目前尚不清楚陽(yáng)極生物膜內(nèi)的電流密度和pH分布如何相互關(guān)聯(lián)。細(xì)胞產(chǎn)生的質(zhì)子及其從陽(yáng)極生物膜的運(yùn)輸，應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生物膜形成質(zhì)子梯度。生物膜深度上pH梯度的形成會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部微生物的性能降低并影響其生長(zhǎng)。因此了解微型生物膜內(nèi)pH分布的詳細(xì)特征及其對(duì)發(fā)電性能的影響對(duì)于提高陽(yáng)極性能至關(guān)重要。本研究是量化發(fā)電生物膜深度的空間和時(shí)間pH分布和變化。還探討了pH分布和電流密度之間的關(guān)系。Geobacter spp是發(fā)電細(xì)菌的絕佳候選者，因?yàn)樗梢詫⒁宜猁}轉(zhuǎn)化為陽(yáng)極上的電子，并且電子轉(zhuǎn)移被認(rèn)為是直接的。通過(guò)pH微電極獲得地桿菌生物膜內(nèi)的pH深度剖面，可對(duì)活生物膜進(jìn)行非侵入性、非破壞性、高空間分辨率和實(shí)時(shí)測(cè)量。找到上述條件取決于對(duì)陽(yáng)極生物膜內(nèi)部微觀條件的理解，本研究推薦了一種通過(guò)繪制pH深度剖面導(dǎo)數(shù)來(lái)估計(jì)生物膜和邊界層厚度的方法。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

pH微電極（Unisense，丹麥）用于表征陽(yáng)極生物膜內(nèi)的pH分布。微電極尖端的直徑為50μm。每次測(cè)量之前，使用商業(yè)緩沖溶液（pH=4.01、6.86和9.18）校準(zhǔn)pH微電極。獲得斜率在-58.10–-58.80mV/pH范圍內(nèi)的線性校準(zhǔn)曲線。pH值測(cè)量是在操作條件下進(jìn)行的。通過(guò)移除生物膜陽(yáng)極上方的橡膠塞來(lái)打開端口以插入微電極及其參比電極。純氮?dú)獠粩嗟卮等腠敳靠臻g，以盡量減少氧氣從開放端口侵入系統(tǒng)。最初將pH微電極尖端放入高于生物膜表面數(shù)千微米的本體溶液中，然后逐步向下移動(dòng)（生物膜外增量為50-200μm，生物膜內(nèi)增量為25μm），由計(jì)算機(jī)上的SensorTrace Profiling軟件進(jìn)行定期控制，并同時(shí)記錄pH值。當(dāng)通過(guò)批量溶液、濃度邊界層并最終到達(dá)生物膜底部（陽(yáng)極表面）時(shí)進(jìn)行記錄。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用pH微電極研究了不同電流密度下地桿菌生物膜內(nèi)部的空間pH分布。在350μm厚的地桿菌生物膜(10.23A m-2)中，檢測(cè)到的陽(yáng)極表面附近的pH水平低至5.57，而本體溶液的pH水平為6.90。在此，pH差達(dá)到最大值1.33個(gè)單位，這意味著電極表面附近的質(zhì)子濃度幾乎比本體溶液高20倍。這項(xiàng)研究還表明，在厚生物膜中的低緩沖液濃度條件下，質(zhì)子無(wú)法有效地從生物膜中轉(zhuǎn)運(yùn)出來(lái)。

圖1、在恒定施加電位（-0.1 V vs.Ag/AgCl）下的Geobacter生物膜生長(zhǎng)情況。紅色箭頭表示用于pH和CV測(cè)量的各種電流密度（它們分別為1.07Am2，1.27Am2，2.58Am2，2.97Am2，4.46Am2，5.89Am2，7.93Am2，9.25Am2，9.83Am2，10.71Am2，10.23Am2和10.70Am2，分別為45小時(shí)，72小時(shí)，116小時(shí)，140小時(shí)，205小時(shí)，256小時(shí)，285小時(shí)，330小時(shí)，418小時(shí)，440小時(shí)，455小時(shí)和482小時(shí)）。

圖2、在電流密度為1.07A m-2和1.27A m-2時(shí)Geobacter生物膜內(nèi)的平均pH分布，邊界層和批量溶液（a）；在2.58 A m-2和2.97A m-2時(shí)（b）；在4.46A m-2，5.89 A m-2和7.93A m-2時(shí)（c）；在9.25A m-2和9.83 A m-2時(shí)（d）；在10.71A m-2，10.23A m-2和10.70A m-2時(shí)。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖2(f)是在7.93A m-2下測(cè)量的剖面之一，以及Geobacter生物膜內(nèi)上方和內(nèi)部的質(zhì)子濃度剖面。

圖3、在7.93A m-2下pH對(duì)深度的一階導(dǎo)數(shù)圖，插圖顯示了平均曲線，誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。（a）；各種電流密度下的生物膜厚度及其活性部分和非活性部分（b）。

圖4、陽(yáng)極表面附近和批量溶液中的pH變化以及作為電流密度函數(shù)的pH差異（a）。Geobacter生物膜內(nèi)平均pH變化曲線及各種電流密度下相應(yīng)的質(zhì)子濃度曲線，插圖顯示了電流密度和平均pH值之間的線性相關(guān)性（r2=0.99）（b）。

圖5、緩沖濃度（25 mM、50 mM、75 mM和100 mM）對(duì)Geobacter生物膜內(nèi)pH分布的影響。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。

結(jié)論與展望

本研究采用了pH微電極量化了發(fā)電生物膜及其濃度邊界層以及本體溶液內(nèi)的空間pH分布。探討了pH分布與電流密度之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)(1)在350μm厚的地桿菌生物膜上，檢測(cè)到陽(yáng)極表面附近的pH水平低至5.57，而本體溶液的pH水平為6.90；生物膜內(nèi)的平均pH值隨著時(shí)間的推移而下降；生物膜內(nèi)的pH變化使循環(huán)伏安法的中點(diǎn)電位發(fā)生變化，每個(gè)pH變化59.0mV；25mM磷酸鹽緩沖溶液的陽(yáng)極表面附近的pH值低至4.91，而100mM磷酸鹽緩沖溶液的pH值則為5.73。此外，還推薦了一種通過(guò)繪制pH值-深度分布的導(dǎo)數(shù)來(lái)估計(jì)生物膜厚度的方法。