科學(xué)家揭示微生物秘密：有望提高微生物燃料電池傳感器性能！
小楊 / 2024-06-07 08:48:16
百歐博偉生物：隨著人類社會的發(fā)展，環(huán)境污染已經(jīng)成為一個亟待解決的問題，尤其是水污染對人類的生存和繁衍構(gòu)成了巨大的威脅。
大量的污染物存在于水體中，主要包括環(huán)境、營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、表面活性劑、殺蟲劑/除草劑、新興污染物、病原菌等。
要管理和控制水體污染物，有效的環(huán)境監(jiān)測和分析（EMA，environmental monitoring and analysis）已經(jīng)成為一個先決條件。
目前的 EMA 主要依靠化學(xué)分析方法，其具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
但是，化學(xué)分析也面臨一些問題，比如檢測成本高、操作過程復(fù)雜、無法實現(xiàn)實時在線監(jiān)測、以及無法反映各種有毒物質(zhì)的綜合影響。
而生物 EMA 可以整合各種有毒物質(zhì)的相互作用，并確定有毒物質(zhì)的質(zhì)量濃度和生物影響之間的直接關(guān)系，為水質(zhì)評價提供全面的信息。
近年來，使用酶、抗原/抗體和微生物作為敏感探針的 EMA 生物傳感技術(shù)迅速發(fā)展，其具有實時在線的特點。
在現(xiàn)有的 EMA 生物傳感技術(shù)中，微生物燃料電池（MFC，microbial fuel cell）是最有前景的一種。
MFC 通過陽極生物膜中的電活性微生物，將可生物降解有機物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為生物電。
當(dāng)有毒物質(zhì)出現(xiàn)在陽極室中時，電活性微生物的活性將被抑制，并且可以通過監(jiān)測電信號的變化來檢測毒性。
基于 MFC 的毒性傳感具有響應(yīng)快、操作簡單、成本低和自我維持的優(yōu)點，可以將其用作毒性生物傳感器來構(gòu)建水質(zhì)的在線預(yù)警系統(tǒng)。
但是，MFC 生物傳感器仍然面臨著傳感靈敏度低和恢復(fù)時間長等問題。
為了優(yōu)化 MFC 生物傳感器的毒性傳感性能，學(xué)界已經(jīng)進行了許多嘗試，包括改進 MFC 的結(jié)構(gòu)、質(zhì)子交換膜、電極材料和控制模式等。
相對而言，關(guān)于陽極生物膜中微生物群落的調(diào)控，尤其是電活性微生物的研究報道較少。
溫度，是影響 MFC 陽極生物膜中微生物生長和代謝的重要因素之一，可以改變其微生物群落。
同時，溫度對于底物電導(dǎo)率、擴散系數(shù)、電荷傳遞速率、活化能、微生物群落的生化活性等諸多變量都有很強的影響。
但是，目前針對溫度的研究主要集中在 MFC 功率密度輸出和廢水處理效率方面。
MFC 啟動過程中所施加的溫度，會改變陽極生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)，從而影響 MFC 傳感器的性能，這是考慮 MFC 傳感器應(yīng)用的一個重要決定因素。
基于此，華中科技大學(xué)團隊進行了相關(guān)實驗，發(fā)現(xiàn)低溫下 MFC 傳感器的性能比室溫下的更好。
以此為啟發(fā)，課題組深入研究了低溫下 MFC 傳感器性能與室溫下傳感器性能的比較。
通過探究其原因，細化了馴化溫度和操作溫度對 MFC 傳感的影響。
借此得出：低溫馴化下 MFC 在室溫下使用時，同樣具備較好的性能。對于低溫地區(qū)和溫度較低的季節(jié)，低溫下馴化的 MFC 傳感器有更廣泛的適用性。
日前，相關(guān)論文以《低溫適應(yīng)電活性微生物可能是提高微生物燃料電池傳感器毒性感知性能的有效策略》（Low temperature acclimation of electroactive microorganisms may be an effective strategy to enhance the toxicity sensing performance of microbial fuel cell sensors）為題發(fā)在 Water Research。
總的來說，這項工作對于低溫場景（地區(qū)和季節(jié)）下生物傳感器的性能提升有較大的指示意義，同時對微生物電化學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展也提供了一定的參考價值。
地球生物圈 85% 以上的地區(qū)一年中溫度低于 5℃，75% 以上的地區(qū)常年寒冷。因此，開發(fā)可在低溫下使用的生物傳感器具有重要意義。
在低溫季節(jié)或低溫地區(qū)，低溫馴化的 MFCs 作為生物傳感器能夠正常展現(xiàn)出優(yōu)良的性能，從而可以用于毒性物質(zhì)檢測等方面，并能突破溫度的限制。
總的來說，微生物傳感器具有廣泛的應(yīng)用前景。
除了能對營養(yǎng)物質(zhì)和有毒化合物作出反應(yīng)外，微生物傳感器還可以對其他細菌作出反應(yīng)，從而探測到致病微生物的信號，以幫助診斷感染。
隨著該領(lǐng)域的不斷發(fā)展，微生物傳感器有望成為常見的分析和檢測工具，但其還有幾個問題需要解決。
首先，微生物傳感器不能也不應(yīng)該在沒有限制的情況下釋放到環(huán)境中。因此，應(yīng)在物理和生物化學(xué)的角度控制微生物。
此外，還需要與公眾和政策制定者接觸，以了解和解決圍繞微生物傳感器的產(chǎn)生和部署的問題。
理想情況下，未來的微生物傳感器不僅能感知，還能作出反應(yīng)。
也就是說，其不僅可以檢測污染物的存在，還可以降解污染物。畢竟，這是細菌的自然行為：即它們能感知威脅并應(yīng)對它。
此前，Science 曾刊登一項引人注目的研究：美國科學(xué)家通過對貝氏不動桿菌進行巧妙改造，讓基因工程菌能夠發(fā)掘癌癥細胞的存在。
據(jù)了解，這是全球首次通過基因工程菌檢測到癌細胞的實驗研究。
盡管這項技術(shù)仍需進一步研究和完善，但本次團隊堅信這項技術(shù)不僅可以應(yīng)用于癌癥檢測，還能用于其他感染性疾病的診斷，借此為未來醫(yī)學(xué)鋪就嶄新的道路。
此外，人們已經(jīng)能夠制備可攝入人體內(nèi)的微生物傳感器，其可以檢測腸道中的出血或炎癥生物標(biāo)志物，以監(jiān)測腸道健康。
而且，這些內(nèi)部微生物傳感器發(fā)出的信號，可以傳輸?shù)绞謾C等外部設(shè)備，以便于數(shù)據(jù)收集和分析。
基于此，未來該課題組將繼續(xù)拓展微生物傳感器在其他方面的應(yīng)用。
北京百歐博偉生物技術(shù)有限公司的
微生物菌種查詢網(wǎng)提供微生物菌種保藏、測序、購買等服務(wù),是中國微生物菌種保藏中心的服務(wù)平臺，并且是集微生物菌種、菌種,ATCC菌種、細胞、培養(yǎng)基為一體的大型微生物查詢類網(wǎng)站，自設(shè)設(shè)備及技術(shù)的微生物菌種保藏中心！歡迎廣大客戶來詢！
下載附件
上一篇：微生物計數(shù)培養(yǎng)基適用性檢查的一般要求與操作方法！
下一篇：食品微生物檢驗技術(shù)：正置培養(yǎng)霉菌污染原因分析驗證！