Considerations on the use of microsensors to profile dissolved H2 concentrations in microbial electrochemical reactors  

關(guān)于使用微傳感器分析微生物電化學(xué)反應(yīng)器中溶解H?濃度的考量  

來源：PLoS ONE 19(1):e0293734  

《PLoS 綜合》第19卷第1期，文章編號(hào)e0293734  

 

摘要內(nèi)容：  

摘要描述了開發(fā)一種使用微傳感器測量標(biāo)準(zhǔn)H型微生物電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)溶解H?濃度分布的方法。該方法通過水平放置石墨陰極，結(jié)合顯微操作系統(tǒng)和立體顯微鏡精確定位微傳感器，在維持厭氧條件（吹掃頂空）和嚴(yán)格控溫（克服微傳感器溫度敏感性）下，從陰極表面向氣液界面進(jìn)行剖面測量。實(shí)驗(yàn)測試了接種產(chǎn)乙酸菌 Sporomusa ovata 與未接種（無菌對(duì)照）的反應(yīng)器在三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的H?分布。結(jié)果顯示，無菌對(duì)照組H?隨時(shí)間積累，而 S. ovata 能在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間維持液相低H?濃度（<4 μM）。該方法雖能提供高分辨率的H?分布信息，但也存在局限性：頂空吹掃降低溶解H?濃度；微傳感器在固體陰極表面附近測量可能不準(zhǔn)確（陰極阻礙H?擴(kuò)散至傳感器）；且反應(yīng)器在測量后需廢棄。

 

研究目的：  

開發(fā)并驗(yàn)證一種適用于標(biāo)準(zhǔn)H型微生物電化學(xué)反應(yīng)器的溶解H?微傳感器剖面測量方法，揭示 S. ovata 對(duì)陰極H?消耗的動(dòng)態(tài)影響，并系統(tǒng)評(píng)估該方法的可行性與局限性。

 

研究思路：  

反應(yīng)器改造：將陰極水平放置以適配微剖面系統(tǒng)，使用立體顯微鏡精確定位微傳感器于陰極表面。  

 

環(huán)境控制：持續(xù)吹掃頂空（N?/CO?）維持厭氧條件，嚴(yán)格控溫（30°C）以穩(wěn)定微傳感器信號(hào)。  

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：對(duì)比6個(gè)反應(yīng)器（3個(gè)接種 S. ovata，3個(gè)無菌對(duì)照），在0天、5天、17天進(jìn)行剖面測量。  

 

數(shù)據(jù)驗(yàn)證：結(jié)合頂空氣相色譜（GC）分析，對(duì)比微傳感器在氣液界面的測量結(jié)果。  

 

局限性分析：評(píng)估頂空吹掃、陰極表面擴(kuò)散限制及反應(yīng)器破壞性對(duì)測量的影響。

 

測量的數(shù)據(jù)及來源：  

溶解H?濃度剖面：使用Unisense H?微傳感器（尖端直徑~25 μm）測量從陰極表面（0 μm）至氣液界面（5000 μm）的垂直濃度分布，分辨率25–100 μm（圖3）。  

 

 

頂空H?分壓：通過氣相色譜（GC）測量反應(yīng)器頂空H?濃度，轉(zhuǎn)換為溶解H?濃度（表A in S1 Appendix）。  

 

時(shí)間序列對(duì)比：無菌與接種反應(yīng)器在0天、5天、17天的H?分布動(dòng)態(tài)（圖3）。  

 

吹掃效應(yīng)驗(yàn)證：重復(fù)剖面測量評(píng)估頂空吹掃對(duì)H?濃度的降低作用（圖4）。

 

 

數(shù)據(jù)的研究意義：  

揭示微生物代謝機(jī)制：證實(shí) S. ovata 能高效消耗陰極產(chǎn)生的H?，維持液相極低H?濃度（<4 μM）（圖3），支持其通過H?介導(dǎo)的電子傳遞機(jī)制驅(qū)動(dòng)微生物電合成（MES）。  

 

驗(yàn)證方法適用性：首次在標(biāo)準(zhǔn)H型反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)高分辨率H?剖面測量，為微生物電化學(xué)系統(tǒng)提供原位分析工具。  

 

暴露技術(shù)局限：  

 

頂空吹掃導(dǎo)致H?被剝離（圖4），需優(yōu)化吹掃條件以減少誤差。  

 

微傳感器在陰極表面附近（<50 μm）因擴(kuò)散受阻可能低估真實(shí)濃度（圖5），提示近表面數(shù)據(jù)需謹(jǐn)慎解讀。  

 

指導(dǎo)反應(yīng)器設(shè)計(jì)：水平陰極不影響電化學(xué)性能，為類似研究提供改造依據(jù)。

 

結(jié)論：  

成功開發(fā)H?微傳感器剖面方法，可獲取微生物電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)高分辨率溶解H?分布。  

 

S. ovata 能持續(xù)維持陰極附近低H?環(huán)境（<4 μM），而無菌對(duì)照組H?隨時(shí)間積累并形成近陰極濃度峰（圖3B, C）。  

 

頂空吹掃會(huì)顯著降低溶解H?濃度（圖4），操作時(shí)需盡量縮短吹掃時(shí)間。  

 

微傳感器在固體陰極表面附近的測量值可能因擴(kuò)散受限而失真（圖5），建議測量點(diǎn)距陰極表面至少兩倍于傳感器尖端直徑（>50 μm）。  

 

該方法具破壞性，反應(yīng)器無法重復(fù)使用。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義：  

高分辨率動(dòng)態(tài)監(jiān)測：Unisense微傳感器以25 μm步進(jìn)分辨率捕捉陰極附近H?梯度（圖3），首次直接證實(shí) S. ovata 在陰極表面高效消耗H?（濃度始終<4 μM），而傳統(tǒng)GC僅能檢測頂空氣體，無法反映液相微環(huán)境動(dòng)態(tài)。  

 

揭示異常濃度峰成因：數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的近陰極H?峰（75–150 μm處）被證實(shí)非真實(shí)生物現(xiàn)象，而是因固體陰極阻礙H?擴(kuò)散至傳感器尖端導(dǎo)致的測量假象（圖5）。這一發(fā)現(xiàn)糾正了此前類似研究中對(duì)近陰極H?累積的誤讀，為微傳感器在固液界面測量提供了關(guān)鍵校正依據(jù)。  

 

量化微生物代謝能力：測得 S. ovata 維持的H?濃度（0.07 μM檢測限以下仍可操作）接近其已知H?閾值（0.05 μM），證明微傳感器足以解析微生物的極限代謝能力，但需注意其檢測限（0.07 μM）可能不足以覆蓋某些低閾值微生物。  

 

指導(dǎo)技術(shù)優(yōu)化：數(shù)據(jù)表明減小傳感器尖端直徑可提升空間分辨率，但會(huì)犧牲靈敏度（檢測限升高），需根據(jù)研究目標(biāo)權(quán)衡選擇。此外，剖面耗時(shí)約20分鐘，期間吹掃引起的H?損失（圖4）凸顯了開發(fā)非侵入式實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)的必要性。