Monitoring Biohydrogen Production and Metabolic Heat in Biofilms by Fiber Bragg Grating Sensors

利用光纖光柵傳感器監測生物膜的產氫和代謝熱

來源：Analytical Chemistry（2019年，第91卷）

 

論文總結

研究通過開發一種微結構光纖布拉格光柵（mFBG）傳感器，實現了對含有沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris CQK-01）的生物膜中生物氫生產和代謝熱的實時、同步監測。以下是對論文的詳細總結。

 

摘要概括

摘要指出，光合細菌（PSB）生物膜生產生物氫具有高轉化率、避免生物質-液體分離及兼具廢水降解和連續產氫的雙重功能等潛在優勢。然而，由于生物膜內部生物氫和代謝熱的生產過程未被有效和準確監測，其產氫性能（速率和純度）仍較低。本研究創建了一種簡單的mFBG傳感器，通過濕法蝕刻將FBG分為兩個區域：直徑15μm的溫度傳感區和直徑8μm、濺射50 nm鈀（Pd）膜的溫度與氫濃度傳感區。三個mFBG傳感器以80μm垂直間距均勻分布在聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道（生物膜載體）中，用于監測生物膜內的生物氫生產和代謝熱。此外，還研究了生物膜的厚度、表面形態、活性生物量和孔隙率。mFBG傳感器能快速準確地測定由氫濃度和溫度變化引起的布拉格波長偏移差異，測量的生物氫濃度與實際生物氫生產高度相關（相關系數0.9765）。由于從生物膜表面到內部活性生物量和孔隙率急劇下降，表層PSB的生物氫生產能力遠高于內部。生物膜厚度為165μm時獲得最高生物氫濃度（1.218 × 10^4 ppm），生物膜培養中代謝熱產生的溫差約為1.1℃。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

開發一種能同時實時監測生物膜內生物氫濃度和溫度的傳感器，以優化生物膜生長和增強生物氫生產。

驗證mFBG傳感器在離線（受控條件）和在線（生物膜培養）測量中的準確性、靈敏度和可靠性。

探究生物膜不同深度（表層、內部和底層）的生物氫生產和代謝熱分布差異，并關聯生物膜特性（如厚度、孔隙率、活性生物量）。

 

評估Pd涂層的性能及其對氫氣的選擇性和響應性。

 

研究思路

研究采用多步驟實驗策略：

 

傳感器制備與表征：通過濕法蝕刻制備mFBG傳感器，形成溫度傳感區和溫度-氫傳感區；Pd膜通過濺射沉積并表征其均勻性、純度和結構（SEM、EDX、XRD）。

離線性能測試：在受控條件下測試傳感器對溫度和氫濃度的響應、靈敏度、響應時間和選擇性（如對CO?的響應）。

生物膜培養與在線監測：在PDMS光生物反應器中培養R. palustris CQK-01生物膜，使用三個mFBG傳感器（垂直間距80μm）實時監測生物氫濃度和溫度；同時使用光學顯微鏡監測生物膜厚度，Unisense H?微電極校準氫濃度。

生物膜特性分析：通過環境掃描電鏡（ESEM）分析生物膜表面形態；通過共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）和圖像處理分析孔隙率和活性生物量（使用染色劑如BacLight和SYTO 63）。

 

數據整合與驗證：使用矩陣分離溫度與氫濃度對波長偏移的影響；通過Gray絕對關聯度（ADGI）驗證mFBG測量值與Unisense微電極數據的一致性。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖編號）及研究意義：

 

傳感器結構與表征數據（來源：Figure 1）

 

數據：SEM顯示Pd膜均勻致密無裂紋；EDX證實Pd元素存在；XRD顯示Pd?晶體結構（峰值40.0°、46.5°、68.1°）。

 

研究意義：驗證Pd涂層的純度和機械性能，確保其對氫氣的高選擇性和親和力，為傳感器可靠性提供基礎。

 

實驗系統示意圖（來源：Figure 2）

 

數據：展示光生物反應器、mFBG傳感器布置、流體系統和測量子系統（包括Unisense微電極）。

 

研究意義：說明在線監測的整體設計，突出傳感器集成和實時數據采集能力。

 

生物膜生長與監測數據（來源：Figure 3）

 

數據：生物膜厚度在198小時達298μm；氫濃度測量顯示四個階段（穩定、快速增加、下降、靜止）；溫度測量顯示代謝熱導致溫差最高1.1℃（FBG_C1在274μm厚度時）。

 

研究意義：揭示生物膜生長動態和產氫時空分布；表層產氫更高（如FBG_C2），底層活性低（如FBG_A2）；代謝熱分布反映生物膜內部活性差異。

 

生物膜特性數據（來源：Figure 4）

 

數據：表層孔隙率最高（88.03±4.96%），底層最低（26.17±8.67%）；活性生物量從表層到底層遞減。

 

研究意義：解釋產氫能力差異的原因——高孔隙率和活性生物量促進質量傳遞和光滲透，增強表層產氫；底層因EPS積累和擴散限制導致活性下降。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

傳感器有效性：mFBG傳感器能同時、準確、實時監測生物氫濃度和溫度（氫濃度測量與Unisense微電極關聯度0.9765），適用于生物膜環境。

生物膜產氫分布：生物氫生產呈空間異質性——表層產氫能力最強（最高濃度1.218 × 10^4 ppm at 165μm），底層最低；代謝熱分布類似（最高溫差1.1℃）。

生物膜特性影響：產氫與孔隙率、活性生物量正相關；表層松散結構和高活性支持高產氫，底層致密結構和低活性抑制產氫。

 

應用價值：該傳感器可推廣至化學、生物化學、環境科學等領域，為過程控制提供新工具。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense H?微電極（型號OX10，尖端直徑10μm）用于校準mFBG傳感器的氫濃度測量，其研究意義主要體現在：

 

高精度校準基準：Unisense微電極提供100 ppb的分辨率（方法部分），作為黃金標準驗證mFBG數據的準確性。例如，Figure 3c中Unisense數據（標“HMS”）與FBG_C2測量值高度一致（ADGI = 0.9765），確保mFBG傳感器在復雜生物膜環境中的可靠性。

獨立驗證測量：Unisense微電極直接測量溶解氫濃度，避免潛在干擾（如溫度、生物膜覆蓋），為離線和在線數據提供獨立驗證。這尤其重要用于區分FBG傳感器的交叉敏感性（如溫度與氫濃度）。

技術優勢：Unisense系統的靈敏度和特異性（基于電化學原理）使其能檢測痕量氫變化，補充了mFBG的光學測量，提供更全面的氫動力學視圖。

支持生物膜異質性分析：通過比較Unisense數據與不同深度FBG數據（如FBG_A2、B2、C2），研究證實了生物膜內氫濃度的垂直梯度（表層最高），突出了空間分辨監測的必要性。

 

生態生理學意義：Unisense數據幫助量化產氫活性與生物膜厚度的關系（如最佳厚度165μm），為優化生物反應器設計（如厚度控制、光照策略）提供關鍵參數。

 

總之，丹麥Unisense電極數據是本研究的校準基石，通過提供高分辨率氫濃度測量，它驗證了mFBG傳感器的準確性，揭示了生物膜產氫的時空動態。這項技術強調了多傳感器集成在微生物生態研究中的價值，為未來生物氫生產的過程優化提供了可靠方法論。