An experimental study of pH distributions within an electricity-producing biofilm by using pH microelectrode

利用pH微電極對產(chǎn)電生物膜中pH值的分布實驗研究

來源：Electrochimica Acta 251 (2017) 187-194

 

論文摘要

本論文通過使用丹麥Unisense pH微電極，首次系統(tǒng)量化了產(chǎn)電生物膜（以Geobacter為主）內(nèi)部、濃度邊界層及體相溶液中的空間pH分布。研究發(fā)現(xiàn)：（1）在350μm厚的Geobacter生物膜中，陽極表面附近pH低至5.57，而體相溶液pH為6.90；（2）生物膜內(nèi)平均pH隨時間推移而下降；（3）pH變化導致循環(huán)伏安法（CV）中點電位以每pH單位59.0 mV的幅度偏移；（4）低緩沖液濃度（如25 mM磷酸鹽緩沖液）下陽極表面pH更低（4.91），而高緩沖液濃度（100 mM）下為5.73。此外，研究還提出了一種通過pH-深度剖面導數(shù)估計生物膜厚度的方法。這些結果揭示了pH梯度對產(chǎn)電生物膜性能的關鍵影響，為優(yōu)化生物電化學系統(tǒng)提供了新見解。

研究目的

本研究的主要目的包括：

 

量化pH空間分布：精確測量產(chǎn)電生物膜內(nèi)部、邊界層和體相溶液的pH垂直分布，揭示其微觀異質(zhì)性。

關聯(lián)pH與電流密度：探索pH分布如何隨電流密度變化，闡明質(zhì)子積累對生物膜產(chǎn)電性能的調(diào)控機制。

評估pH對電化學行為的影響：通過CV分析，驗證pH變化對電子傳遞過程（如中點電位偏移）的作用。

開發(fā)生物膜厚度估計方法：基于pH剖面導數(shù)，提出一種非侵入式測定生物膜厚度和活性層的方法。

 

優(yōu)化操作條件：研究緩沖液濃度對pH分布的影響，為減輕質(zhì)子抑制提供實踐指導。

 

研究思路

本研究采用了“生物膜培養(yǎng)-原位測量-數(shù)據(jù)建模-機制驗證”的系統(tǒng)思路：

 

生物膜培養(yǎng)：使用三電極生物反應器（300 mL），以乙酸鈉為底物，在恒電位（-0.1 V vs. Ag/AgCl）下培養(yǎng)Geobacter富集生物膜（厚度達350μm），持續(xù)監(jiān)測電流密度變化（圖1）。

 

原位pH測量：采用丹麥Unisense pH微電極（尖端直徑50μm），以高空間分辨率（步長25μm）實時測量生物膜內(nèi)部的垂直pH剖面，覆蓋體相溶液、邊界層和生物膜底層（陽極表面）。

多參數(shù)關聯(lián)分析：

 

在不同電流密度下（1.07–10.71 A m?2）獲取pH分布數(shù)據(jù)（圖2）。

 

計算pH剖面的一階導數(shù)，確定生物膜厚度和邊界層（圖3）。

 

通過CV測量中點電位，分析其與pH的線性關系（圖5）。

 

改變緩沖液濃度（25–100 mM），評估其對pH梯度的抑制效果（圖6）。

 

數(shù)據(jù)建模與驗證：利用導數(shù)峰值定位生物膜-邊界層界面，計算平均pH和質(zhì)子濃度，驗證pH與電流密度的統(tǒng)計相關性（r2=0.99）。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測量了多類數(shù)據(jù)，其意義和來源如下（數(shù)據(jù)均引用自文檔中的圖表）：

 

電流密度隨時間變化（反映生物膜生長動態(tài)）

 

測量指標：Geobacter生物膜在恒電位下的電流密度生成曲線。

研究意義：圖1顯示電流密度隨生物膜生長從1.07 A m?2增至10.71 A m?2，表明生物膜產(chǎn)電能力增強。但后期電流下降提示質(zhì)子積累可能抑制活性。這提供了生物膜代謝活性的時間動態(tài)背景，為pH測量設定了時間節(jié)點。

 

數(shù)據(jù)來源：圖1（caption: "Growth of Geobacter biofilm under a constant applied potential..."）。

 

pH垂直分布剖面（核心發(fā)現(xiàn)：揭示pH梯度）

 

測量指標：使用Unisense微電極測量的生物膜內(nèi)部、邊界層和體相溶液的pH沿深度變化。

研究意義：圖2顯示pH從體相溶液（~6.90）向陽極表面（最低5.57）顯著降低，形成“S”型曲線。這直接證明了生物膜內(nèi)質(zhì)子積累的存在，且梯度隨電流密度增大而加劇（如10.23 A m?2時梯度達1.33 pH單位）。該數(shù)據(jù)揭示了質(zhì)子傳輸限制是產(chǎn)電性能的關鍵瓶頸。

 

數(shù)據(jù)來源：圖2（a-e子圖，caption: "Averaged pH distributions within Geobacter biofilm..."）。

 

pH剖面導數(shù)與生物膜厚度估計（方法創(chuàng)新）

 

測量指標：pH對深度的一階導數(shù)曲線及其峰值對應的深度。

研究意義：圖3a顯示導數(shù)峰值位于~275μm處，對應生物膜-邊界層界面。這開發(fā)了一種非破壞性測定生物膜厚度的方法，避免了傳統(tǒng)顯微切割的擾動。導數(shù)曲線還識別出活性層（質(zhì)子產(chǎn)生區(qū)）和惰性層（近電極區(qū)），為理解生物膜空間異質(zhì)性提供了新工具。

 

數(shù)據(jù)來源：圖3（caption: "First derivative plots of pH to depth at 7.93 A m?2..."）。

 

pH與電流密度關系（量化質(zhì)子積累效應）

 

測量指標：陽極表面pH和體相pH隨電流密度的變化，以及pH差值。

研究意義：圖4a顯示陽極表面pH從7.33（1.07 A m?2）降至5.57（10.23 A m?2），pH差值與電流密度線性正相關（r2=0.98）。這證實高電流密度加劇質(zhì)子積累，導致近電極區(qū)質(zhì)子濃度比體相高20倍，從實驗上驗證了質(zhì)子抑制假說。

 

數(shù)據(jù)來源：圖4a（caption: "pH variations near anode surface and in bulk solution..."）。

 

CV中點電位與pH關系（電化學機制證據(jù)）

 

測量指標：CV曲線的一階導數(shù)峰值（中點電位）及其隨生物膜平均pH的變化。

研究意義：圖5顯示中點電位從-0.425 V（pH=7.29）偏移至-0.328 V（pH=5.71），斜率59.0 mV/pH，接近能斯特方程理論值。這證明電子傳遞過程是質(zhì)子耦合的，pH變化直接影響氧化還原電位，為生物膜電化學調(diào)控提供了定量依據(jù)。

 

數(shù)據(jù)來源：圖5（caption: "First derivative plots of CVs... midpoint potential variations vs. average pH"）。

 

緩沖液濃度對pH分布的影響（優(yōu)化策略驗證）

 

測量指標：不同緩沖液濃度（25-100 mM）下的pH分布剖面。

研究意義：圖6顯示低緩沖液（25 mM）時陽極表面pH低至4.91，而高緩沖液（100 mM）時升至5.73。這證實高緩沖濃度可緩解質(zhì)子積累，提高電流密度（從6.01至16.50 A m?2），為減輕pH抑制提供了實際操作參數(shù)。

 

數(shù)據(jù)來源：圖6（caption: "Effect of buffer concentration on pH distributions..."）。

 

研究結論

 

生物膜內(nèi)部存在顯著pH梯度：陽極表面pH最低（可達5.57），與體相差異達1.33單位，質(zhì)子濃度高20倍，證實質(zhì)子積累是限速因素。

pH梯度隨電流密度增大而加劇：高產(chǎn)電活性導致更多質(zhì)子釋放，pH差與電流密度線性相關，說明質(zhì)子管理對維持高性能至關重要。

pH調(diào)控電化學行為：CV中點電位以59.0 mV/pH偏移，驗證電子傳遞依賴質(zhì)子耦合機制。

緩沖液可緩解pH下降：高緩沖濃度（100 mM）提升近電極pH，改善電流輸出，提示緩沖策略的實用性。

 

生物膜厚度可經(jīng)pH導數(shù)估計：導數(shù)峰值法非侵入式測定生物膜厚度（如275μm），并能區(qū)分活性/惰性層，為生物膜表征提供新方法。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense pH微電極的測量數(shù)據(jù)是揭示產(chǎn)電生物膜內(nèi)部微環(huán)境的核心技術支撐，其研究意義體現(xiàn)在以下方面：

 

提供高分辨率原位pH證據(jù)：Unisense微電極能以25μm的高空間分辨率實時測量生物膜內(nèi)部的pH垂直分布。圖2的pH剖面直接顯示pH從體相到陽極表面連續(xù)下降，首次在微觀尺度上捕捉到“S”型梯度曲線。這種原位無損測量避免了傳統(tǒng)取樣對生物膜的破壞，確保了數(shù)據(jù)的真實性和動態(tài)性。

直接驗證質(zhì)子積累機制：微電極數(shù)據(jù)量化了質(zhì)子積累的空間范圍。例如，在10.23 A m?2時，陽極表面pH低至5.57，而體相為6.90，證實質(zhì)子主要在生物膜深層產(chǎn)生且傳輸受阻。這為“質(zhì)子限制理論”提供了最直接的實驗證據(jù)，解釋了為何高電流下性能下降。

揭示生物膜結構異質(zhì)性：通過pH剖面導數(shù)分析（圖3），微電極數(shù)據(jù)識別出生物膜的三層結構：體相（pH恒定）、邊界層（pH線性下降）、生物膜（pH指數(shù)下降）。導數(shù)峰值（~275μm）對應生物膜-邊界層界面，提供了生物膜厚度的客觀測定方法，克服了傳統(tǒng)顯微鏡的主觀性。

關聯(lián)pH與電化學性能：微電極測得的pH與CV中點電位偏移（圖5）高度相關（59.0 mV/pH），將微觀pH環(huán)境與宏觀電化學行為直接鏈接。這證明pH變化通過影響微生物代謝和電子傳遞鏈，調(diào)控整體產(chǎn)電效率。

評估環(huán)境因子影響：在不同緩沖液濃度下，微電極數(shù)據(jù)（圖6）顯示pH梯度顯著變化，明確了緩沖能力對質(zhì)子傳輸?shù)恼{(diào)控作用。這為優(yōu)化反應器設計（如緩沖液添加）提供了精準參數(shù)。

 

技術優(yōu)勢保障數(shù)據(jù)可靠性：Unisense微電極的高靈敏度（斜率-58.10—58.80 mV/pH）、快速響應和微創(chuàng)特性，使其能在操作條件下長期穩(wěn)定測量，避免了pH因暴露或擾動失真的問題。這些高質(zhì)量數(shù)據(jù)是得出所有關鍵結論的基石。

 

綜上所述，丹麥Unisense pH微電極在本研究中扮演了“微環(huán)境顯微鏡”的角色。其提供的高精度pH垂直剖面，不僅是證明pH梯度存在的“鐵證”，更是連接生物膜結構、質(zhì)子動力學和電化學性能的橋梁。沒有這項技術，對產(chǎn)電生物膜內(nèi)部機制的理解將停留于推測層面，無法從微觀尺度揭示質(zhì)子傳輸?shù)南匏僮饔谩Ｒ虼耍巧钊虢馕錾镫娀瘜W過程不可或缺的工具。