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

使用pH微電極研究產電生物膜內pH分布的實驗研究

來源：Electrochimica Acta, Volume 251, 2017, Pages 187-194

《電化學學報》，第251卷，2017年，第187-194頁

 

摘要

這篇論文通過使用pH微電極量化了產電生物膜及其濃度邊界層和本體溶液中的空間pH分布，并探索了pH分布與電流密度之間的關系。研究發現，在350微米厚的Geobacter生物膜中，陽極表面附近的pH低至5.57，而本體溶液pH為6.90；生物膜內平均pH隨時間降低；pH變化使循環伏安法的中點電位每pH單位偏移59.0mV；在低緩沖濃度下，陽極表面pH更低。此外，論文還提出了一種通過pH-深度剖面導數估計生物膜厚度的方法。

 

研究目的

研究目的是量化產電生物膜深度的空間和時間pH分布及變化，探索pH分布與電流密度之間的關系，并理解pH梯度對生物電化學系統性能的影響機制。

 

研究思路

研究思路包括：使用丹麥Unisense pH微電極實時測量Geobacter生物膜在不同電流密度下的pH分布；通過pH-深度剖面分析生物膜厚度、邊界層和本體溶液的pH變化；結合循環伏安法研究pH對電化學行為的影響；考察緩沖濃度對pH分布的調控作用；最終通過數據推導生物膜內質子傳輸機制。

 

測量的數據及研究意義

1 pH分布數據：測量了不同電流密度下生物膜內、邊界層和本體溶液的pH-深度剖面。數據顯示，隨著電流密度增加，陽極表面pH從7.33降至5.57，而本體溶液pH從7.40降至6.90。這些數據來自圖2。研究意義：揭示了生物膜內存在顯著pH梯度，質子積累隨電流增加而加劇，這直接影響微生物活性和電子傳輸效率，為優化生物電化學系統提供依據。

 

 

2 生物膜厚度數據：通過pH-深度剖面的導數計算生物膜厚度，發現生物膜厚度隨電流密度增加從90微米增至350微米，其中活性層約275微米，非活性層隨電流增加而擴大。這些數據來自圖3。研究意義：提供了一種非侵入式生物膜厚度估算方法，表明厚度增加導致質子傳輸效率下降，非活性層形成會限制底物擴散，但電子傳輸仍可維持。

 

 

3 pH與電流關系數據：陽極表面與本體溶液的pH差隨電流密度線性增加，最大差達1.33單位，質子濃度near電極表面比本體高20倍。生物膜內平均pH隨電流密度線性下降。這些數據來自圖4。研究意義：證實電流產生與質子積累直接相關，pH梯度是限制高電流下性能的關鍵因素，提示需要緩沖調控以減輕抑制。

 

 

4 電化學數據：循環伏安法顯示中點電位隨生物膜內平均pH降低而正移，斜率為59.0mV/pH，符合Nernst方程。這些數據來自圖5。研究意義：表明電子傳輸過程與質子耦合，pH變化可調控電化學行為，為生物膜內反應機制提供證據。

 

 

5 緩沖濃度影響數據：在25mM磷酸緩沖下，陽極表面pH低至4.91，而100mM時為5.73，電流密度隨緩沖濃度增加而提高。這些數據來自圖6。研究意義：證明高緩沖濃度可緩解質子積累，提升電流輸出，指導實際系統中緩沖策略優化。

 

 

結論

論文得出結論：產電生物膜內存在顯著pH梯度，陽極表面pH可低至5.57，質子積累隨電流增加而加劇，抑制微生物活性；生物膜厚度增加導致質子傳輸效率下降，但電子傳輸仍可維持；pH變化通過Nernst關系影響電化學行為；高緩沖濃度能緩解質子積累，提升系統性能。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense pH微電極測量的數據提供了高空間分辨率（50微米尖徑）和實時的生物膜內pH分布信息，研究意義在于：該技術允許非侵入式地量化微尺度環境下的pH變化，直接揭示了質子梯度形成機制。測量顯示pH從本體溶液到陽極表面逐漸降低（圖2），證實了質子產生與傳輸的不平衡性。通過pH-深度剖面導數分析（圖3），可準確估算生物膜厚度和活性區域，避免了傳統破壞性方法。此外，pH與電流密度的線性關系（圖4）為預測生物膜代謝狀態提供了工具，而pH對電化學行為的調控（圖5）深化了對質子耦合電子傳輸的理解。這些數據共同表明，Unisense電極是研究生物膜內微環境的關鍵工具，為優化生物電化學系統設計提供了實證基礎。