大肠杆菌 O157:H7 是志贺毒素产生型大肠杆菌中的重要血清型，也是食源性致病菌中极具代表性的一类。该菌可通过受污染水体、肉类和叶菜类食品传播，并可诱发从腹泻到溶血性尿毒综合征等一系列严重疾病，因此在食品安全与公共卫生领域具有长期而稳定的关注度。尽管目前针对大肠杆菌 O157:H7 的检测方法已较为丰富，但在高灵敏、低假阳性、适于现场应用和复杂样品适配等方面，仍然存在明显提升空间，尤其是在需要快速筛查的食品监管场景中，这一矛盾表现得更为突出。

从检测原理上看，细菌的电化学行为主要涉及直接电子转移和介体电子转移两类机制。经典电活性菌如希瓦氏菌和地杆菌，通常具备专门的胞外电子传递体系，例如细胞色素 c 网络和导电纳米线，因此在电化学检测中更容易形成稳定信号。相比之下，大肠杆菌并不具备典型胞外电子传递通路，其电活性更多依赖于细胞内部呼吸链的电子传递过程，包括 NAD⁺/NADH、琥珀酸、丙酮酸、醌池、细胞色素以及末端氧化酶等共同参与的氧还原过程。这使得大肠杆菌虽然可被视为一种电化学活性细菌，但其内在电信号通常较弱，从而增加了检测难度。

与此同时，环境胁迫对细菌代谢和电化学行为的影响近年来逐渐受到关注。细菌在面对氧化胁迫、渗透压变化和电子受体条件改变时，往往会通过形态重塑、膜通透性调节、抗氧化酶上调和代谢重编程来维持细胞稳态。在这一过程中，细胞内电子流向和呼吸链活性也可能发生变化，从而影响其电化学表现。NaCl 浓度变化作为一种典型渗透压胁迫因素，广泛存在于食品加工和环境体系中，因此研究其是否能够诱导大肠杆菌 O157:H7 产生更强电催化氧还原能力，不仅具有机制意义，也可能为构建新型检测方法提供抓手。

基于这一思路，本研究并没有直接从传感器材料或信号放大体系切入，而是首先关注大肠杆菌 O157:H7 在 4% NaCl 胁迫下是否会产生更强的电化学活性，并进一步追踪其氧化应激水平、抗氧化酶活性和代谢通路变化，最后再利用这些机制性发现反向构建双极电极电化学发光传感器。也就是说，本研究的创新逻辑并不是“先有传感器，再找应用”，而是“先理解细菌在胁迫下为什么更容易被电化学检测，再将这种增强机制转化为检测平台”。这一思路使整项工作兼具基础研究和应用开发双重价值。 

如图1所示，本研究从三个维度概括了 4% NaCl 胁迫下大肠杆菌 O157:H7 电化学活性增强的研究框架，包括电化学分析、微生物学分析和胞内代谢分析。图1A 对应循环伏安法等电化学表征，用于直接观察细菌氧还原电流的变化；图1B 对应菌落生长、活菌状态与形态学变化分析，用于判断胁迫是否影响细胞存活和膜结构；图1C 则聚焦于胞内代谢变化，尤其是三羧酸循环、泛醌合成和电子传递链等与氧还原密切相关的代谢过程。这一图实际上构成了全文的逻辑主线：先证明 NaCl 胁迫确实增强了电化学行为，再解释这种变化为何发生，最后将其转化为检测信号。

图1. 4% NaCl 胁迫下大肠杆菌 O157:H7 电化学活性变化的研究框架示意图：（A）电化学分析；（B）微生物学分析；（C）胞内代谢分析。

在电化学表征方面，本研究首先利用循环伏安法考察大肠杆菌 O157:H7 对氧还原过程的影响。结果表明，在 PBS 中加入大肠杆菌后，电极表面的氧还原响应明显不同于空白 PBS，说明细菌的存在能够影响体系中的氧电化学行为。进一步地，在 4% NaCl 胁迫条件下，不同处理时间的大肠杆菌 O157:H7 均表现出比未胁迫状态更强的氧还原信号，表明 NaCl 的确能够增强其电催化氧还原能力。论文特别强调，这一变化并非简单来自溶液离子强度提高，而是与细菌本身在高盐胁迫下的生理和代谢适应密切相关。

如图2A和图2B所示，研究比较了 PBS、未搅拌菌液、轻柔搅拌菌液以及氮气鼓泡处理后菌液的循环伏安图，并进一步比较了 0−120 min 不同 NaCl 胁迫时间下的大肠杆菌 O157:H7 电流响应。可以看到，随着胁迫时间变化，细菌相关的氧还原电流表现出明显增强趋势，说明在高盐环境中其电子传递过程发生了实质性改变。图中插图还给出了无菌背景信号，进一步说明增强电流信号与细菌状态密切相关，而非纯背景电化学效应。

如图2C至图2F所示，这一阶段的变化非常具有启发性。图2C 展示了不同 NaCl 胁迫时长下细菌在选择性和非选择性培养基上的生长状态，图2D 给出了对应生长曲线，图2E 显示亚致死细胞比例变化，图2F 则通过扫描电镜对比了未胁迫和胁迫 60 min 细胞的形态差异。研究发现，随着 NaCl 胁迫延长，亚致死状态细胞比例先迅速升高后略有下降，说明细胞在经历最初损伤后开始启动适应机制；而当胁迫时间延长至 120 min 时，菌落形成能力和生长曲线则出现明显崩塌，提示长期胁迫最终会造成严重损伤甚至死亡。扫描电镜结果还显示，受胁迫细胞出现膜内陷和形态变形，但并未立即裂解，这种“膜受损但细胞仍存活”的状态恰恰可能为电子传递增强提供结构基础。

图2. 4% NaCl 胁迫下大肠杆菌 O157:H7 的电化学和微生物学响应。（A）PBS、未轻柔搅拌的大肠杆菌 O157:H7 菌液、轻柔搅拌 10 min 的菌液以及经氮气鼓泡 20 min 后菌液的循环伏安图。（B）大肠杆菌 O157:H7 在 4% NaCl 胁迫 0−120 min 后的循环伏安图。（C）大肠杆菌 O157:H7 在不同 4% NaCl 胁迫时间下的生长状态：（a）选择性培养基；（b）非选择性培养基；1 至 6 分别对应 0、20、30、40、60 和 120 min 胁迫时间。（D）不同 4% NaCl 胁迫时间下的大肠杆菌 O157:H7 生长曲线。（E）不同胁迫时间下大肠杆菌 O157:H7 的亚致死比例。（F）扫描电镜图像：（a）未胁迫的大肠杆菌 O157:H7；（b）4% NaCl 胁迫 60 min 后的大肠杆菌 O157:H7。

为了进一步解释电催化氧还原增强的原因，本研究又对细胞内活性氧水平及抗氧化酶活性进行了分析。研究指出，高盐胁迫会导致细胞膜通透性变化和离子通道激活，从而诱导 NAD⁺/NADH 的氧化还原循环加强，并伴随超氧自由基等活性氧积累。正常情况下，过量 ROS 会损伤 DNA、膜和蛋白质，但在短期可适应胁迫中，细胞会通过提升超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性来清除自由基，维持存活。对大肠杆菌 O157:H7 而言，这种氧化应激应答恰恰与呼吸链电子流动的增强相伴发生，因此成为解释电信号变化的关键一环。

如图3A和图3B所示，不同 NaCl 胁迫时间下，大肠杆菌 O157:H7 的胞内 ROS 水平以及 SOD、CAT 活性均发生明显变化，其中 ROS 水平在一定时间内上升，并刺激抗氧化酶体系同步增强。图3C 进一步整合出了一个细胞呼吸电子传递示意图，说明在高盐环境下，膜通透性改变、NADH 氧化、醌池转换、细胞色素传递以及末端氧还原过程被整体激活，进而推动电子沿呼吸链更高效流动。研究认为，这一过程不仅解释了为何 NaCl 胁迫可增强氧还原电流，也为后续把这一现象用于传感器设计提供了机制依据。

图3. 4% NaCl 胁迫下大肠杆菌 O157:H7 的氧化应激与电子传递变化。（A）胞内活性氧水平变化。（B）SOD 和 CAT 活性变化。（C）4% NaCl 胁迫下大肠杆菌 O157:H7 细胞呼吸电子传递示意图。图中红色箭头表示相关物质含量增加；IM 表示内膜，Cyt c 表示细胞色素 c，Q 表示醌，QH₂ 表示甲萘醌醇，NADH 表示还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，NAD⁺ 表示氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，ATP 表示三磷酸腺苷，ROS 表示活性氧，TCA 表示三羧酸循环。

在上述氧化应激分析基础上，本研究进一步开展代谢组学研究，以从更深层次揭示 NaCl 胁迫下大肠杆菌 O157:H7 的代谢重编程特征。结果显示，胁迫组中多个与能量代谢和电子传递相关的代谢通路被明显上调，尤其是三羧酸循环、泛醌及其他萜类醌生物合成、泛酸和辅酶A生物合成、果糖和甘露糖代谢、半胱氨酸与蛋氨酸代谢以及鞘脂代谢等。这些变化共同表明，在高盐胁迫下，大肠杆菌 O157:H7 并不是被动受损，而是在短时间内重新组织其物质代谢和电子传递网络，以应对渗透压和氧化压力。

如图4所示，本研究利用 KEGG 富集分析总结了 NaCl 胁迫下的大肠杆菌 O157:H7 代谢通路重构情况。图4A 和图4B 分别给出负离子模式和正离子模式下的显著富集通路网络，图4C 则将活跃代谢通路整合为细胞内代谢图谱。图中红色部分代表上调通路，可以清楚看到 TCA 循环、泛醌生物合成、泛酸与辅酶A代谢以及与抗氧化相关的谷胱甘肽和含硫氨基酸通路共同参与响应。这组结果对全文意义重大，因为它把前面电流增强、ROS 波动和抗氧化酶活性提升等现象，全都统一到“高盐胁迫驱动代谢和呼吸链增强”这一主线上。

图4. 4% NaCl 胁迫下大肠杆菌 O157:H7 的 KEGG 富集分析与活跃代谢通路。（A）负离子模式下的 KEGG 富集代谢通路网络（p < 0.05）。（B）正离子模式下的 KEGG 富集代谢通路网络（p < 0.05）。（C）NaCl 胁迫下大肠杆菌 O157:H7 细胞内活跃代谢通路示意图。

在明确 4% NaCl 胁迫能够增强大肠杆菌 O157:H7 的电催化氧还原能力及其代谢学基础后，本研究进一步将这一现象转化为检测策略，构建了基于双极电极-电化学发光原理的病原检测平台。传统三电极体系容易受到外源杂质干扰，而闭合式 BPE-ECL 体系通过阳极和阴极空间分离，可降低污染风险，同时保留较高灵敏度。更重要的是，本研究并没有通过开发新的发光体来降低检测电压，而是反向利用 NaCl 胁迫增强的细菌电活性，让细菌自身在阴极端催化氧还原，从而带动阳极端的 [Ru(bpy)₃]²⁺-TPA 发光增强。这种“从细菌端增强信号”的思路，与以往主要依赖外部材料放大信号的方法形成了明显区别。

如图5所示，论文给出了基于 NaCl 胁迫的 BPE-ECL 检测原理示意图。图中整合了内膜、细胞色素 c、醌池、NADH/NAD⁺、ATP、ROS、TCA 以及 [Ru(bpy)₃]²⁺ 和 TPA 等关键组分，说明高盐胁迫后，大肠杆菌 O157:H7 在阴极端更高效地催化氧还原，进而通过双极电极耦合在阳极端产生更强电化学发光信号。这一图的价值在于，它把前面所有基础机制研究与最终传感器设计联系起来，完整展示了“胁迫增强电活性”如何转化为“胁迫增强检测信号”。

图5. 基于 NaCl 胁迫的大肠杆菌 O157:H7 双极电极电化学发光传感器原理示意图。图中红色箭头表示相关物质含量增加；IM 表示内膜，Cyt c 表示细胞色素 c，Q 表示醌，QH₂ 表示甲萘醌醇，NADH 表示还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，NAD⁺ 表示氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，ATP 表示三磷酸腺苷，ROS 表示活性氧，TCA 表示三羧酸循环，Ru(II) 表示联吡啶钌氯化物，TPA 表示三丙胺。

在传感器性能评价中，本研究首先比较了有无 NaCl 胁迫时大肠杆菌 O157:H7 对 BPE-ECL 阳极端发光信号的影响。结果表明，在相同菌浓度条件下，经过 4% NaCl 胁迫处理的细菌能够显著提高发光强度，阳极 ECL 信号约为未胁迫状态的 9.72 倍。这意味着，NaCl 并不只是让细菌“更容易测到”，而是真正把其电催化氧还原能力提升到了能够明显放大 ECL 信号的水平。研究进一步优化检测电压为 5.5 V，并在此条件下完成不同浓度样品的响应测试。

如图6A至图6C所示，在 10¹−10⁷ CFU mL⁻¹ 范围内，NaCl 胁迫后的大肠杆菌 O157:H7 可引发逐级增强的阳极端 ECL 响应，并与菌浓度之间保持较好定量关系。论文给出的检出限为 1 mL 样品中的 10 CFU，这一结果对于基于细菌电活性的传感体系而言已经相当敏感，说明“利用高盐胁迫提升电催化氧还原能力”这一策略在信号增强方面十分有效。相比未经胁迫的对照，检测信号不仅幅度更大，而且更容易在低浓度样品中体现差异，从而有助于降低误判和漏检风险。

本研究还对传感器在真实样品中的适用性进行了验证。图6D 显示，在不同浓度大肠杆菌 O157:H7 污染条件下，牛奶、果汁和咖啡等实际样品中的 ECL 响应与标准体系相比几乎未表现出显著干扰，说明该平台对常见复杂食品基质具有较好适应性。对于一个希望走向现场检测的体系来说，这一点尤其重要，因为实际食品样品往往远比缓冲液体系复杂，如果没有较强抗干扰能力，再高的理论灵敏度也难以真正落地。

图6. 基于 NaCl 胁迫的大肠杆菌 O157:H7 BPE-ECL 检测结果。（A）当双极电极阴极端分别接入未经 NaCl 胁迫和经 NaCl 胁迫处理的 10¹ CFU mL⁻¹ 大肠杆菌 O157:H7 时，阳极端 [Ru(bpy)₃]²⁺ 的电化学发光强度曲线。（B）4% NaCl 胁迫下，不同浓度大肠杆菌 O157:H7（10¹−10⁷ CFU mL⁻¹）在 BPE-ECL 传感器阳极端引发的发光波长响应。（C）大肠杆菌 O157:H7 浓度与 BPE-ECL 传感器阳极端电化学发光强度之间的对应关系。（D）不同浓度大肠杆菌 O157:H7（0、10¹、10⁴、10⁷ CFU mL⁻¹）在实际样品中的 BPE-ECL 响应结果。

综上所述，本研究通过 4% NaCl 胁迫显著增强了大肠杆菌 O157:H7 的电催化氧还原能力，并系统揭示了其背后涉及氧化应激调控、呼吸链电子传递增强以及关键代谢通路上调的生物学机制。在此基础上构建的 BPE-ECL 传感器在 5.5 V 条件下实现了 10¹−10⁷ CFU mL⁻¹ 的线性检测范围，在 1 mL 样品中的检出限低至 10 CFU，且在牛奶、果汁和咖啡等实际样品中表现出较好适用性。该研究不仅为大肠杆菌 O157:H7 的高灵敏现场检测提供了新方法，也为利用环境胁迫增强电化学活性细菌检测信号提供了值得进一步拓展的新方向。

论文来源：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2026.149305