微生物燃料電池傳感器在水質毒性監測中的應用與發展

劉曉曉，趙明杰，王紫璇，栗勇田，葉 菲,*

(1.秦皇島天大環保研究院有限公司，河北秦皇島 066000；2.河北省河道水質凈化及生態修復重點實驗室，河北秦皇島 066000；3.燕山大學環境與化學工程學院，河北秦皇島 066000)

水質毒物監測是了解水體污染現狀的重要手段。傳統的水質毒物監測工作大多依托離線的物化分析技術展開，雖然可以精確測試水體中毒性物質的總濃度，但該類方法需要復雜的儀器設備作為支撐，且樣品前處理過程步驟繁瑣、對操作人員專業性要求較高，更重要的是檢測結果明顯延遲,并不能及時地反應毒物對人類健康及水環境安全的真實影響[1]。因此，開發出能滿足水質在線預警需求、受沖擊后能實時響應的傳感系統尤為重要。近年來，基于微生物傳感技術的毒物監測方法是根據微生物受到毒物刺激時，其新陳代謝或生長速度發生變化而實現對水體污染的實時預警[2-4]。但是由于缺乏轉換器，這類生物傳感器并不能將生物信號轉化為電信號，進而缺乏定量監測毒物具體濃度的能力?；谏鲜龇治?，滿足水質毒物在線監測要求的新型傳感器應該兼具實時和定量監測的特點。

微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)傳感器可在厭氧條件下利用小分子的羧酸、醇等有機物作為底物[5]，為陽極微生物提供碳源，將化學能轉化為電能，進而通過觀察引入毒物后電壓、電流以及輸出功率等電信號的抑制情況直觀反映水質狀況，具有無需外部供能、額外添加信號轉換器、操作簡單、易于攜帶等特點，在實時定量毒物監測方面表現出巨大的應用潛力[6-9]。自MFC傳感器問世以來，相關研究人員圍繞該技術在重金屬和抗生素等污染水體監測方面開展了大量研究工作，盡管取得了一定的研究進展，但MFC傳感器在監測過程中普遍存在的靈敏度低、響應時間長、檢出限高以及線性范圍窄等問題并沒有從根本上得到改善[10-11]。因此，深入挖掘影響MFC傳感器性能指標的潛在因素，并提出合理的解決方案以進一步優化MFC傳感檢測性能尤為重要。

基于上述分析，本文從MFC電化學傳感技術的基本原理入手，綜述了MFC傳感器在重金屬及抗生素等典型毒物監測領域的研究進展，重點解析了調整反應器結構、優化運行模式、改變布水方式及縮短水力停留時間等策略對提升MFC傳感器靈敏度、縮短響應時間、降低檢出限等方面的積極影響，旨在獲得提升MFC傳感器性能參數的有效方法，從而為推動MFC傳感技術的發展及其在水質監測領域的推廣提供理論依據。

1 MFC傳感器的工作原理、運行模式及影響因素

1.1 MFC傳感器工作原理

MFC傳感器是基于微生物電化學技術發展起來的一種便捷的傳感檢測裝置，通常由生物陽極、非生物陰極、外電路和數據采集系統4個部分構成(圖1)。當MFC傳感器正常運行時，附著在生物陽極表面的厭氧產電菌可通過催化氧化過程將有機物分解產生電子，進而將生成的電子傳遞到陽極并經外電路遷移到非生物陰極與O2、鐵氰化鉀、六價鐵酸鹽等電子受體發生還原反應，并產生電流，從而實現化學能到電能的轉化[12]。而當MFC傳感器暴露于毒性目標物時，由于陽極微生物的活性受到抑制，會直接損害整個裝置的產電性能。利用這一性質，將電活性微生物作傳感元，通過在目標毒物的濃度與MFC傳感器的電信號如電壓、電流、電功率等變化(ΔU、ΔI、ΔP)以及抑制率(IR)間建立線性關系，以此來表征傳感元與目標物之間的識別過程，即可達到實時定量監測預警的目的[13-15]?；谏鲜雒枋隹芍?，不同于MFC在其他領域的應用，MFC傳感器更關注的是燃料電池在不同條件下輸出電信號的變化量，而不是一味地追求高的輸出功率。這也在一定程度上彌補了由于輸出功率不足制約MFC技術在實際應用中的進一步發展，使得MFC技術在傳感檢測領域表現出更大的應用前景。

圖1 MFC傳感檢測裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of MFC Sensor Detection Device

1.2 MFC傳感器的構型及運行模式

1.2.1 MFC傳感器構型

圖2 (a)雙室MFC傳感器示意圖[16]，(b)單室MFC傳感器示意圖[17]，(c)帶有膜電極組的單室MFC傳感器示意圖[18]Fig.2 (a) Two-Compartment MFC Sensor[16], (b) Single-Compartment MFC Sensor[17], (c) Single-Compartment MFC Sensor with Membrane Electrode Group[18]

1.2.2 MFC傳感器運行模式

按照運行模式的差異，可將用于毒物監測的MFC傳感器劃分為恒定外阻(constant external resistance，CER)[21]和恒定陽極電勢(constant anode potential，CAP)[22]2種運行模式(圖3)。在CER模式下，首先需借助極化曲線測出裝置的內阻，然后參考內阻阻值在其附近選取外阻值，使MFC傳感器的輸出功率最高、性能最優，最后通過數據采集系統監測外阻兩端電壓(或通過歐姆定律轉化為電流)的變化實現對毒物的監測。該模式的優勢在于操作簡單、運行成本低(避免了恒電位儀和參比電極的使用)；不足之處在于陽極電勢不恒定、傳感器的信號穩定性差，當毒物進入陽極抑制微生物活性打破原有平衡后，該模式會通過增加陽極電勢的形式抵消這種變化，進而影響傳感器對毒物的靈敏度[23]。CAP模式是借助電化學工作站在三電極模式下向陽極表面施加適合厭氧產電菌生長的恒定電勢，同時記錄電流信號的變化實現傳感監測。與CER模式相比，CAP模式提升了傳感器的靈敏度及穩定性[22-24]。然而，工作站和參比電極的引入在一定程度上制約了MFC傳感器的小型化應用。此外，在陽極表面施加恒電位后，電化學過程在傳感檢測過程中發揮的作用不容忽視，并且加電模式也在一定程度上掩蓋了MFC傳感器無需外加電源便可輸出電信號這一固有優勢。

圖3 (a)恒定外阻(CER)的MFC傳感器示意圖[21], (b)恒定陽極電勢(CAP)運行模式的MFC傳感器示意圖[22]Fig.3 (a) MFC Sensor Schematic of Constant External Resistance (CER)[21], (b)MFC Sensor Schematic of Constant Anode Potential (CAP)[22]

1.3 影響MFC傳感器電信號的環境因素

根據MFC傳感器的工作原理可知，在水體毒物監測過程中，陽極厭氧產電菌活性的高低是決定其傳感監測性能優劣的關鍵。因此，影響厭氧微生物代謝活性的環境因素，如DO、微量元素、環境溫度以及溶液pH等都會影響最終MFC傳感器的性能[25-26]。

在MFC傳感器中，發揮產電作用的微生物大多是厭氧或兼性厭氧菌，因此，DO的存在會對厭氧產電菌的活性造成不同程度的抑制，進而對MFC傳感器的性能產生不利影響。Yang等[27]考察了陽極基質液曝氮氣處理對MFC傳感器電信號恢復速度的影響，發現曝氮氣去除DO后，MFC傳感器電信號恢復周期明顯縮短，充分說明在MFC傳感器運行過程中去除DO的必要性。另一方面，某些金屬元素，如鈣和鐵等是微生物生長所必需的微量元素，可分別作為蛋白酶的激活劑促進細胞膜的形成以及作為細胞色素和新陳代謝的載體在電子傳遞過程中發揮重要作用[28-30]。因此，在配置陽極基質液時，往往需要添加適當比例的多種微量元素，以保證微生物營養均衡。此外，環境溫度和溶液pH也是影響微生物活性的重要因素，研究表明，溫度主要影響微生物的活性，進而影響生物膜的形成速率及裝置的輸出功率[31]。厭氧產電菌的最適生長溫度在35～38 ℃，因此，MFC傳感器適用的環境溫度也大多控制在35～38 ℃。而關于微生物生長最適pH的研究，不同體系得出的結論也略有差異。例如，He等[32]研究表明，在偏堿性條件下(pH值=8～10)，厭氧微生物產電性能更佳；而Mohan等[33]和Jadhav等[34]研究卻發現適當降低溶液pH會降低MFC傳感器的內阻，從而提高其產電性能。因此，在構建MFC傳感器時，需根據所接種的微生物菌種的差異，近中性范圍內篩選出最適的pH條件，以保證MFC在最優外界環境下運行。

2 MFC傳感器的性能評價指標及優化策略

當MFC傳感器應用于水體毒物監測時，靈敏度和穩定性往往是反映其監測性能的重要指標。靈敏度低和穩定性差是阻礙其實際應用的重要瓶頸[35]。靈敏度主要通過響應時間、檢出限等參數反映。響應時間越短、檢出限越低，說明MFC傳感器對毒物越靈敏；而穩定性則通過恢復速率以及信號重現性等參數體現，MFC傳感器受毒物沖擊后，恢復時間越短、信號重現性越好，說明其穩定性越強，越能滿足長時間運行的要求。為了提升MFC傳感器的相關性能，需了解各指標的內涵及其關鍵影響因素，從而有針對性地制定優化策略。

(1)響應時間

MFC傳感器受到毒物沖擊后，最直觀的響應表現在電信號受抑制上。因此，相關研究人員常將從毒物進入傳感器開始到其電信號達到或接近最低點所經歷的時間定義為響應時間。盡管不同傳感器在裝置結構、運行模式、毒物濃度以及陽極微生物狀態等方面均存在差異，相關文獻中報道的各傳感器應用于毒物監測時的響應時間也各不相同，具體表現在變化從幾分鐘至數個小時不等[35-37]。但對于縮短傳感器響應時間、提升其監測靈敏度的調控方法，仍有規律可循。

在MFC傳感器中，陽極厭氧產電菌的活性是決定其響應時間的關鍵因素。單位時間內，微生物接觸到毒物的濃度越高，其信號被抑制并達到穩定的時間越短。因此，縮小反應器的體積和加快水流速度都是縮短響應時間的有效方法。然而，上述2種方法在縮短響應時間的機理方面存在明顯差異，前者是通過增加毒物在陽極微生物附近的暴露濃度使其活性受抑制；而后者是加快毒物到生物陽極的傳質效率縮短微生物對毒物的響應時間。相應地，Moon等[38]將MFC傳感器陽極室的體積從25 mL縮小到5 mL后，發現傳感器對毒物的響應時間明顯縮短(從36 min左右縮短至5 min左右)；Di等[39]研究也得到了類似的結論，當MFC傳感器陽極室的體積減至原體積的1/4時，其響應時間與原來相比減少了80%。而在另一項研究中，Ayyaru等[40]通過提升進水流速(從0.26 mL/min升至0.73 mL/min)，也達到了縮短響應時間的目的(從240 min降至79 min)。此外，優化外電路連接情況也是縮短響應時間的有效辦法，該方法可通過控制電路中電子傳遞速度實現對陽極微生物活性的調節，進而影響傳感器的響應時間。例如，適當縮小CER模式下外接電阻阻值是實現這一目標的簡單途徑，然而，當MFC傳感器的外阻過小時，難以保證信號的穩定性。

(2)檢出限

當MFC傳感器應用于水質監測時，其對毒性物質的檢出限應該盡可能低，以保證水體中這些毒物濃度一旦超標，MFC傳感器能夠及時做出響應。然而，目前大多數MFC傳感器的檢出限達不到世界衛生組織飲用水水質標準中對毒性物質的濃度限值要求，差距從幾倍至幾個數量級不等。因此，了解制約其檢出限的因素并尋求合理的解決方案尤為必要。

研究表明，與浮游狀態的微生物相比，當這些微生物附著在陽極表面并形成生物膜后，這些微生物對毒性物質的敏感性要降低10～600倍[41]。分析原因可知，生物膜狀態的細胞周圍會形成大量的胞外聚合物，而正是這部分胞外聚合物的屏障作用，阻礙了毒物從水體到微生物細胞的傳質過程，導致MFC傳感器的檢出限普遍偏高?；谏鲜龇治?，優化陽極表面生物膜的結構無疑是促進毒物與微生物細胞接觸，從而降低MFC傳感器檢出限的重要途徑。為了實現上述目標，相關研究人員主要從電極結構優化和布水方式調控2個方面開展研究，并取得了一定的研究成果。例如，Xu等[42]利用水流的沖刷剪切作用，在陽極表面控制生長出一層孔隙率高、胞外聚合物少、密度低的生物膜，明顯提升了生物陽極對低濃度Cu2+的響應能力；蔣永[22]通過優化流態分布，構建了水流垂直穿透式生物陽極。與常規的水流從電極表面平行流過(側流式生物陽極)相比，垂直穿透式陽極的流態分布更加均勻、毒物在生物膜內部的傳質效率更快，使得該傳感器對2 mg/L的Cu2+的響應信號明顯增強(ΔI從0.02～0.06 mA提升至0.76～1.55 mA)，靈敏度提高了15～41倍。

(3)恢復性能及重現性

MFC傳感器性能穩定是確保其長時間原位在線運行的前提。微生物活性易受環境因素影響，導致以之為傳感元的MFC傳感器性能上存在極大隱患。因此，在受到毒物沖擊后傳感器的信號能否恢復至原始狀態以及對相同濃度毒物沖擊后能否得到接近的信號抑制率是使用過程中關注的重要指標。

在實際應用中，當生物陽極受到毒物沖擊并超過一定限度時，會對其性能造成不可逆的損傷。相關研究人員常用MFC傳感器受毒物沖擊并經恢復階段后，新輸出的電信號與毒物沖擊前所輸出的電信號的比值——恢復率，來反映其恢復性能，而恢復性能的好壞也在一定程度上決定了其基態信號能否重現。此外，關于傳感器輸出電信號重現性的研究更多的關注點還是集中在受到毒物沖擊后，其輸出電信號受抑制情況是否與之前批次相同。由此可見，研究MFC傳感器信號重現性需要有良好的恢復性作保障，而其恢復性能又與微生物活性密切相關。多種影響微生物活性的因素，如毒物毒性、濃度、暴露時間以及微生物自身對毒物毒性的抵抗能力等，都會對其造成影響。理論上，毒物的毒性越大、濃度越高、陽極微生物暴露在毒物介質的時間越長，毒物對微生物的損傷越大，導致MFC傳感器越不容易恢復到原始狀態。Lee等[43]研究發現，同樣是甲醛作目標毒物，0.001%的甲醛不會對MFC傳感器的恢復性能造成影響，而當甲醛質量分數達到0.1%時，該傳感器的恢復率僅有85%；Li等[44]發現以硫還原地桿菌(Geobactersulfurreducens)為陽極微生物構建的MFC傳感器在甲醛剛從反應器沖走時信號恢復率僅為60%，延長恢復時間至36 h信號才能完全恢復。說明微生物在受到毒物沖擊后具有一定的自我修復能力，但需要保證有足夠的調整時間。而一項研究提供了一條通過優化MFC傳感器運行模式來提升其恢復性能的有效途徑，研究指出與CAP模式相比，CER模式為陽極微生物提供了靈活可變的電勢條件，使其能夠通過充分調動自身代謝活動來提升修復效率[24,45]?；诖?，相關研究人員通過利用數學模型模擬信號變化趨勢、引入多組平行備用反應器替代中毒裝置以及優化運行模式等多種手段，減少MFC傳感器在毒物中的暴露時間，保證其具有較好的信號穩定性和重現性，以滿足連續在線監測需求。

3 MFC傳感器的發展趨勢

MFC傳感器作為一種新型的水質監測工具，因具有直接利用水中有機物產電，并通過電信號的增減情況判斷水體受污染程度的性質，在環境工程及傳感監測等相關領域得到了廣泛關注。經歷了數十年的發展，MFC傳感器在DO和BOD5監測方面已取得一定進展，如韓國Korbi公司開發的HABS-2000在線BOD分析儀以及Lovley等[46]研發的地下微生物活性實時監測技術(subsurface microbial activity in real time，SMART)實現了MFC傳感技術的商業化應用。而當MFC應用于毒物監測時，由于MFC傳感器在靈敏度、穩定性、構型及成本等方面存在較大的局限性，使得這方面的研究大多仍停留在實驗室階段?？朔鲜霾蛔闶荕FC毒物傳感器發展的必然趨勢，也是相關研究人員努力的方向。

為滿足水質毒物在線監測需求，未來MFC傳感器應具備以下特征。

(1)原位監測。為了實時監測水質狀況，未來MFC傳感器需具備原位監測能力。不同于實驗室模擬廢水所提供的理想條件，自然水體水質復雜程度更高，有機物、DO以及水溫等往往達不到厭氧產電菌的最適工作條件，因此，需配備完善的補給保障設施以及自動化采樣、混合、進樣設備以實現原位在線運行。

(2)快速檢測，性能穩定。高靈敏性和穩定性是保障MFC傳感器在線運行的基礎，而微生物活性以及傳感器的構型是影響上述性能的重要因素。篩選耐受性強、活性高的特異性菌種是未來MFC毒物傳感器領域要攻克的重要難關；而小型化和多組平行的反應器構型，因具有縮短響應時間、保障微生物中毒后及時恢復以及連續穩定運行等優勢，也是未來MFC毒物傳感器發展的必然趨勢。此外，得益于納米技術的飛速發展，開發生物兼容性高、導電性好的納米材料改善生物陽極性能、同時提升陰極反應效率也是進一步提升MFC傳感器性能的重要手段。

(3)智能化與模型化。MFC毒物傳感器主要通過電信號抑制程度反映水體污染情況，隨著計算機技術的發展，需要借助其在毒物毒性與MFC電信號抑制率間建立相應的數學模型，以便實現準確預警。

(4)成本低廉。為了推動MFC傳感器的商業化，降低成本是必然趨勢。而質子交換膜和電極材料占據了MFC傳感器的主要開銷，開發廉價高效且耐用的交換膜及電極材料，推動空氣陰極和生物陰極的應用是未來研究的重要方向。