Recoverability of electrical conductivity of a Geobacter-enriched biofilm

富地桿菌生物膜電導率的可恢復性

來源：Journal of Power Sources 402, 2018, 198-202

 

論文研究了Geobacter富集生物膜的電導率在底物限制條件下的可恢復性，重點關注生物膜電導率與產(chǎn)電菌代謝活動之間的關系。

一、摘要核心內(nèi)容

摘要指出，本研究通過改變底物濃度（醋酸鹽），評估了Geobacter富集生物膜陽極的電導率變化。在穩(wěn)態(tài)電流密度1.86 A/m2時，生物膜電導率穩(wěn)定在0.48-0.51 mS/cm。短期饑餓（<7小時）下電導率不變，但長期饑餓（4天）后電導率顯著下降至0.16 mS/cm，而添加醋酸鹽后可恢復至0.35 mS/cm。這種動態(tài)變化表明生物膜電導率與產(chǎn)電菌的代謝活動（能量生成）密切相關。

二、研究目的

研究目的是探究生物膜電導率與產(chǎn)電菌代謝活動之間的關聯(lián)。具體包括：

 

評估底物條件變化（如饑餓）對生物膜電導率穩(wěn)定性的影響；

驗證生物膜電導率是否可恢復，以揭示胞外電子傳遞（EET）機制與能量守恒的潛在耦合；

 

為微生物電化學系統(tǒng)（MxCs）的長期穩(wěn)定運行提供理論依據(jù)。

 

三、研究思路

研究采用雙室微生物電化學系統(tǒng)（MxC），富集Geobacter生物膜于金電極上，通過控制底物供應模擬不同饑餓條件：

 

實驗設計：構建測試和對照MxC，使用金電極（帶非導電間隙）測量生物膜電導率。陽極電位固定于-0.2 V（vs. SHE），底物為25 mM醋酸鹽介質(zhì)。

實驗階段：

 

穩(wěn)態(tài)階段：連續(xù)供底物，達到穩(wěn)定電流密度。

短期饑餓：停止供底物7小時，測量電導率。

 

長期饑餓：進行多個周期（4-9天）的饑餓實驗，隨后添加醋酸鹽觀察恢復情況。

 

測量方法：使用雙探針法測量生物膜電導率，并通過微電極（丹麥Unisense系統(tǒng)）測量生物膜厚度。

 

四、測量數(shù)據(jù)及研究意義

研究測量了多類數(shù)據(jù)，其意義和來源如下：

 

電流密度：

 

數(shù)據(jù)來源：圖2和圖3顯示電流密度隨時間變化。

 

 

研究意義：反映產(chǎn)電菌的代謝活性。穩(wěn)態(tài)時電流密度為1.68 A/m2，饑餓時下降（如長期饑餓后至0.03 A/m2），表明底物缺乏抑制電子傳遞。添加醋酸鹽后電流密度恢復，證實代謝活動可逆。

 

生物膜電導率：

 

數(shù)據(jù)來源：圖2（短期饑餓）和圖3（長期饑餓與恢復）。

 

研究意義：電導率變化直接關聯(lián)EET機制。短期饑餓下電導率不變（約0.56 mS/cm），支持EET可能獨立于能量生成；但長期饑餓后電導率下降至0.16 mS/cm，恢復后升至0.35 mS/cm，表明電導率受代謝活動調(diào)控。

 

生物膜厚度：

 

數(shù)據(jù)來源：通過方法部分描述的Unisense微電極測量，平均厚度為139 ± 11 μm。

 

研究意義：厚度數(shù)據(jù)用于計算電導率（公式1），確保測量準確性。厚生物膜有助于研究EET在三維結構中的傳導。

 

五、研究結論

 

生物膜電導率與代謝活動相關：長期饑餓導致電導率下降，但添加底物后可恢復，表明電導率動態(tài)受產(chǎn)電菌catabolism調(diào)控。

EET機制 implications：電導率可恢復性支持氧化還原傳導（redox conduction）主導EET，而非僅依賴金屬樣傳導（e-pili），因為后者可能不受代謝影響。

 

應用意義：為MxCs的穩(wěn)定性優(yōu)化提供指導，強調(diào)底物管理對維持生物膜電導率的重要性。

 

六、丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細解讀

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測量的生物膜厚度數(shù)據(jù)具有關鍵研究意義：

 

測量方法：Unisense電極通過監(jiān)測電阻變化（使用不銹鋼針微電極逐步接近生物膜表面）測量厚度。當電極接觸生物膜外層時電阻升高（因水分），接觸陽極表面時電阻驟降，從而精確計算厚度（方法部分描述）。

研究意義：

 

精度與可靠性：Unisense系統(tǒng)提供了高空間分辨率（5μm步長），確保厚度測量準確（平均139 μm），這是計算生物膜電導率（公式1）的基礎，避免了傳統(tǒng)方法的誤差。

揭示生物膜結構角色：厚度數(shù)據(jù)結合電導率變化，表明厚生物膜中EET依賴三維基質(zhì)傳導。長期饑餓可能引起生物膜結構退化（如死細胞積累），導致電導率下降；而恢復實驗顯示結構可逆，間接證明代謝活動維持導電網(wǎng)絡。

 

支持機制假設：厚度測量與電導率動態(tài)一致，強化了氧化還原傳導機制的主導地位——該機制依賴細胞代謝調(diào)節(jié)胞外輔因子（如細胞色素）的氧化還原狀態(tài)。Unisense數(shù)據(jù)因此將物理結構與生理活動聯(lián)系起來，為EET與能量耦合假說（如“電利他主義”）提供實驗支持。

 

總之，本研究通過綜合數(shù)據(jù)證明生物膜電導率是可恢復的，且與產(chǎn)電菌代謝緊密關聯(lián)，為微生物電化學系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供了重要見解。