科学家揭示微生物秘密：有望提高微生物燃料电池传感器性能！
小杨 / 2024-06-07 08:48:16
百欧博伟生物：随着人类社会的发展，环境污染已经成为一个亟待解决的问题，尤其是水污染对人类的生存和繁衍构成了巨大的威胁。
大量的污染物存在于水体中，主要包括环境、营养物质、重金属、表面活性剂、杀虫剂/除草剂、新兴污染物、病原菌等。
要管理和控制水体污染物，有效的环境监测和分析（EMA，environmental monitoring and analysis）已经成为一个先决条件。
目前的 EMA 主要依靠化学分析方法，其具有较好的稳定性和准确性。
但是，化学分析也面临一些问题，比如检测成本高、操作过程复杂、无法实现实时在线监测、以及无法反映各种有毒物质的综合影响。
而生物 EMA 可以整合各种有毒物质的相互作用，并确定有毒物质的质量浓度和生物影响之间的直接关系，为水质评价提供全面的信息。
近年来，使用酶、抗原/抗体和微生物作为敏感探针的 EMA 生物传感技术迅速发展，其具有实时在线的特点。
在现有的 EMA 生物传感技术中，微生物燃料电池（MFC，microbial fuel cell）是最有前景的一种。
MFC 通过阳极生物膜中的电活性微生物，将可生物降解有机物的化学能转化为生物电。
当有毒物质出现在阳极室中时，电活性微生物的活性将被抑制，并且可以通过监测电信号的变化来检测毒性。
基于 MFC 的毒性传感具有响应快、操作简单、成本低和自我维持的优点，可以将其用作毒性生物传感器来构建水质的在线预警系统。
但是，MFC 生物传感器仍然面临着传感灵敏度低和恢复时间长等问题。
为了优化 MFC 生物传感器的毒性传感性能，学界已经进行了许多尝试，包括改进 MFC 的结构、质子交换膜、电极材料和控制模式等。
相对而言，关于阳极生物膜中微生物群落的调控，尤其是电活性微生物的研究报道较少。
温度，是影响 MFC 阳极生物膜中微生物生长和代谢的重要因素之一，可以改变其微生物群落。
同时，温度对于底物电导率、扩散系数、电荷传递速率、活化能、微生物群落的生化活性等诸多变量都有很强的影响。
但是，目前针对温度的研究主要集中在 MFC 功率密度输出和废水处理效率方面。
MFC 启动过程中所施加的温度，会改变阳极生物膜的微生物群落结构，从而影响 MFC 传感器的性能，这是考虑 MFC 传感器应用的一个重要决定因素。
基于此，华中科技大学团队进行了相关实验，发现低温下 MFC 传感器的性能比室温下的更好。
以此为启发，课题组深入研究了低温下 MFC 传感器性能与室温下传感器性能的比较。
通过探究其原因，细化了驯化温度和操作温度对 MFC 传感的影响。
借此得出：低温驯化下 MFC 在室温下使用时，同样具备较好的性能。对于低温地区和温度较低的季节，低温下驯化的 MFC 传感器有更广泛的适用性。
日前，相关论文以《低温适应电活性微生物可能是提高微生物燃料电池传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）为题发在 Water Research。
总的来说，这项工作对于低温场景（地区和季节）下生物传感器的性能提升有较大的指示意义，同时对微生物电化学系统的发展也提供了一定的参考价值。
地球生物圈 85% 以上的地区一年中温度低于 5℃，75% 以上的地区常年寒冷。因此，开发可在低温下使用的生物传感器具有重要意义。
在低温季节或低温地区，低温驯化的 MFCs 作为生物传感器能够正常展现出优良的性能，从而可以用于毒性物质检测等方面，并能突破温度的限制。
总的来说，微生物传感器具有广泛的应用前景。
除了能对营养物质和有毒化合物作出反应外，微生物传感器还可以对其他细菌作出反应，从而探测到致病微生物的信号，以帮助诊断感染。
随着该领域的不断发展，微生物传感器有望成为常见的分析和检测工具，但其还有几个问题需要解决。
首先，微生物传感器不能也不应该在没有限制的情况下释放到环境中。因此，应在物理和生物化学的角度控制微生物。
此外，还需要与公众和政策制定者接触，以了解和解决围绕微生物传感器的产生和部署的问题。
理想情况下，未来的微生物传感器不仅能感知，还能作出反应。
也就是说，其不仅可以检测污染物的存在，还可以降解污染物。毕竟，这是细菌的自然行为：即它们能感知威胁并应对它。
此前，Science 曾刊登一项引人注目的研究：美国科学家通过对贝氏不动杆菌进行巧妙改造，让基因工程菌能够发掘癌症细胞的存在。
据了解，这是全球首次通过基因工程菌检测到癌细胞的实验研究。
尽管这项技术仍需进一步研究和完善，但本次团队坚信这项技术不仅可以应用于癌症检测，还能用于其他感染性疾病的诊断，借此为未来医学铺就崭新的道路。
此外，人们已经能够制备可摄入人体内的微生物传感器，其可以检测肠道中的出血或炎症生物标志物，以监测肠道健康。
而且，这些内部微生物传感器发出的信号，可以传输到手机等外部设备，以便于数据收集和分析。
基于此，未来该课题组将继续拓展微生物传感器在其他方面的应用。
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