基于微生物燃料电池（MFC）的生物传感器用于实时检测水中的重金属和 BTEX 污染物

原创

来源：龚茂雪

2026-05-15 11:29:16

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核心提示：本研究构建了基于微生物燃料电池（MFC）的免外源供电生物传感器，以混合菌电活性生物膜为敏感元件，利用电压抑制率（IR）实时量化水中重金属（Cu²⁺、Hg²⁺）和BTEX（苯、二甲苯）的毒性响应。混合菌生物膜的灵敏度较纯菌提高1.64倍，在2–20 mg/L浓度范围内对Cu²⁺、Hg²⁺、苯和二甲苯均呈良好线性（R²≥0.98），响应时间仅1–3.5分钟。微生物群落分析表明，MFC运行后菌群丰富度和均匀度提升，短时暴露后结构保持稳定。

1. 引言

工业废水中重金属（Cu²⁺、Hg²⁺）和BTEX（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）等污染物因毒性强、难降解，对水生生态系统和人体健康构成严重威胁。传统检测方法如ICP-MS、气相色谱虽灵敏准确，但需昂贵设备、专业操作和实验室条件，难以实现现场快速预警。微生物燃料电池（MFC）生物传感器利用电活性生物膜，将微生物代谢活动直接转化为电信号，为实时毒性监测提供了新思路。然而，现有MFC传感器多局限于单一污染物或有机负荷检测，缺乏对复杂混合污染物的整合毒性响应能力。因此，开发一种能快速、广谱响应多种毒性物质的低功耗、原位监测工具具有重要现实意义。

本研究创新性构建基于混合菌微生物燃料电池的免外源供电生物传感器，以电压抑制率（IR）为检测指标，实现对水中重金属和BTEX污染物的实时、整合毒性监测。通过优化外阻（1000 Ω）和混合菌电活性生物膜，灵敏度较纯菌提高1.64倍，对Cu²⁺、Hg²⁺、苯和二甲苯在2–20 mg/L浓度范围内均呈良好线性（R²≥0.98），响应时间仅1–3.5分钟。经16S rRNA群落分析，MFC运行后微生物丰富度与均匀度显著提升，短时暴露后结构稳定。该传感器无需外加电源、可连续运行，突破传统单次采样和化合物特异性检测的局限，为工业废水及污水处理厂进水毒性实时预警提供了低成本、原位、非特异性的集成监测新方案。

2. 研究内容：

对重金属的电化学抑制响应: 混合菌生物膜对Cu²⁺和Hg²⁺（2–20 mg/L）呈浓度依赖性电压抑制，灵敏度较纯菌提高1.64倍，线性良好（R²≥0.98）。Hg²⁺毒性更强，高浓度导致不可逆信号丧失。优化外阻（1000 Ω）后，传感器响应稳定，可实现工业废水重金属冲击的快速预警。

图 1. 基于 MFC 的生物传感器对重金属的电化学抑制响应。(a) 使用纯培养（恶臭假单胞菌）生物膜对 Cu 2+ 的实时电压响应和(b)相应的红外光谱。(c) 使用混合培养生物膜对 Cu 2+ 的实时电压响应和(d)相应的红外光谱。(e) 使用混合培养生物膜对 Hg 2+ 的实时电压响应和(f)相应的红外光谱。所有实验均在室温（26 ± 1 °C）下，在外部电阻为 1000 Ω的条件下进行。

对 BTEX 化合物的电化学抑制响应: 混合菌MFC对苯和二甲苯（2–20 mg/L）响应迅速（1–3.5 min），抑制比与浓度线性相关（R²≥0.98）。苯的灵敏度略高于二甲苯，电压抑制主要源于胞外电子传递受阻。该传感器无需特异性识别元件，可实时监测BTEX急性毒性。

图 2. 基于 MFC 的生物传感器对 BTEX 化合物的电化学抑制响应。(a) 逐步苯暴露后的实时电压响应和(b)相应红外响应。(c) 逐步二甲苯暴露后的实时电压响应和(d)相应红外响应。所有实验均在室温（26 ± 1 °C）下使用混合培养生物膜和外电阻为 1000 Ω的条件下进行。

微生物群落分析: MFC运行96 h后，微生物丰富度与均匀度显著提升，群落以厌氧菌（如Paraclostridium）为主。短时（~4 h）暴露于BTEX或Hg²⁺仅引起轻微群落扰动，但优势菌群发生选择性替代（BTEX富集Syner-03，Hg²⁺富集VadiniHA17），表明群落具功能冗余和抗干扰能力。

图表, 条形图

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图 3. 属水平上的微生物群落组成。条形图显示了在重复样本（n=2）中，19 个主要属的平均相对丰度（%），沿时间序列分析。系统发育分类显示，大部分多样性都与 Paraclostridium 属、Bacillus A 属、T78 属、Syner-03 属、Terrisporobacter 属、UBA6265 属、UBA1413 属、Mycobacterium 属、RHKX01 属、Clostridium AK 属、67-14 属、LD21 属、49-20 属、Clostridium J 属、Clostridium AM 属、JADKAV01 属、Petrimonas 属、Atribacter 属和 CADCWL01 属相关。此外，还检测到 713 个属的代表（标注为“其他”），但程度较低（每个≤0.8%）。检测到 321 个未分类属的代表性（每个≤0.08%）被省略。时间序列分析：T0=初始接种物，T1=96 小时培养，T2≈接种 BTEX [B] 或 Hg 2+ [M] 后 4 小时。

3.结论：

本研究成功构建一种基于混合菌微生物燃料电池（MFC）的免外源供电生物传感器，可实现水中重金属和BTEX污染物的实时、快速毒性检测。该传感器以电压抑制率（IR）为指示信号，采用碳纤维刷电极和厌氧消化器来源的混合电活性生物膜，显著提升了检测灵敏度与稳定性。优化后对Cu²⁺、Hg²⁺、苯和二甲苯在2–20 mg/L浓度范围内均呈良好线性（R²≥0.98），响应时间仅1–3.5分钟，混合菌灵敏度较纯菌提高1.64倍。16S rRNA群落分析表明，MFC运行后微生物丰富度与均匀度显著提升，短时暴露后结构保持稳定，且不同污染物诱导出差异化的优势菌群演替。该传感技术无需外加电源、可连续运行、响应迅速，为工业废水及污水处理厂进水毒性预警提供了低成本、原位、非特异性的集成监测新方案。