来源：Development of an eco-friendly and cost-effective biosensor for monitoring dissolved oxygen based on a ceramic-sediment microbial fuel cell（Journal of Water Process Engineering）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
水质监测对生态保护和公共健康至关重要，但传统方法依赖昂贵设备与专业实验室，难以在偏远地区推广。本研究以阿尔及利亚Dounia Park湖沉积物为接种物，利用商业陶土罐同时充当反应器结构与质子交换膜，构建了陶瓷沉积物微生物燃料电池（CSMFC）溶解氧传感器。该传感器在0–8 mg/L溶解氧范围内呈现线性响应（R²=0.96），灵敏度达20 mV/mg·L⁻¹，并配合BQ25570电源管理系统将0.5 V输出电压提升至3.3 V，实现了低功耗传感器的自供电运行。
研究背景
水是生态系统和人类生活不可替代的宝贵资源。然而，全球用水量上升叠加工业化、城市化带来的污染，使水质受到显著影响。国际标准化组织（ISO）将水质监测定义为包含采样、测量、信号获取和参数评估的持续过程。常规监测指标包括溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等生物指标，以及温度、电导率、pH、浊度等物理指标。尽管现有监测技术准确可靠，但多数需要异地分析，依赖设备精良的实验室和专业技术人员，成本高、耗时长，在偏远地区实施困难。商业水质监测套件虽精度高，但价格昂贵且试剂有限。因此，开发低成本、可实时监测的溶解氧传感技术具有迫切需求。
研究方法
2.1 研究地点概况
沉积物样品采集自位于Dounia Park自然公园内的Grand Vents湖。该公园位于阿尔及利亚阿尔及尔西部，占地1059公顷，横跨Dely Brahim、El Achour、Ouled Fayet、Baba Hassen和Draria五个市镇。Grand Vents湖收集含沉积物的水体，位于北纬36°44′56.3″，东经2°57′59.8″，湖盆周长为924.24 m，为淡水湖泊（图1）。
【数据】采样点：Grand Vents Lake，Dounia Park，阿尔及利亚；纬度：36°44′56.3″N；经度：2°57′59.8″E；湖盆周长：924.24 m；水体类型：淡水
2.2 实验装置描述
#### 2.2.1 陶瓷与电极组成
CSMFC生物传感器的陶瓷容器为商业赤陶罐（本地购买，天然黏土制成），选其低成本、化学稳定性和固有孔隙率。采用能量色散X射线光谱（EDX，Philips XL30 ESEM）和氮气吸附-脱附（BET，Micromeritics ASAP 2060）分析表征其组成。EDX分析显示以下组成：C：29%，O：44.07%，Na：0.39%，Mg：0.7%，Si：10.36%，S：2.27%，K：1.08%，Ca：4.19%，Ti：0%，Fe：0.11%。77 K下进行的BET织构分析测得比表面积为3.45 m²·g⁻¹，表明其结构致密、孔隙率低，以小介孔（2–4 nm）为主，另有少量较大介孔（>15 nm）的贡献。
CSMFC生物传感器中使用的电极由回收的火车刹车片碳板制成，作为导电电极回收利用。EDX（Philips XL30 ESEM）分析显示，该材料几乎完全由碳组成（99.8 wt%），仅含微量钙（0.2 wt%）。
【数据】陶瓷组成（EDX）：C 29%，O 44.07%，Na 0.39%，Mg 0.7%，Si 10.36%，S 2.27%，K 1.08%，Ca 4.19%，Ti 0%，Fe 0.11%；BET比表面积：3.45 m²·g⁻¹（77 K）；介孔尺寸：2–4 nm（主），>15 nm（次）；电极碳含量：99.8 wt%；钙含量：0.2 wt%
#### 2.2.2 MFC运行
陶瓷沉积物-MFC装置（CSMFC）由市售圆柱形陶瓷容器构成，尺寸为14 cm（高）× 7 cm（直径）× 0.5 cm（厚度）。陶瓷罐本身为阳极室提供结构支撑，并充当质子交换介质。陶瓷罐使用中性固化RTV硅胶密封，防止泄漏并维持阳极室内的厌氧条件；接种前系统用N₂吹扫。
小型石墨板电极（2 cm × 4.5 cm）被选用于沉积物-MFC的构建。阳极电极浸没在陶瓷罐内，阴极附着在容器壁上。为测量电位，将饱和甘汞参比电极（SCE）浸入阳极和阴极室。陶瓷罐上开设了三个孔口，用于引入参比电极、采集样品以及引出阳极电极导线。陶瓷罐在厌氧条件下密封，外部连接1000 Ω电阻器，通过电缆确保阴阳极之间的接触。电压和开路电压通过DAQ-9600数据采集系统（美国国家仪器公司）监测，该系统连接运行DAQ-Data Logger的个人计算机。
阳极室填充采自Dounia Park Lake的沉积物，与标准培养基混合以促进细菌生长，接种技术与之前的工作相同[22]。陶瓷沉积物-MFC（CSMFC）放置在300 mL塑料容器内，容器中装有250 mL自来水，确保陶瓷罐的阴极完全浸没在水中，靠近压缩空气扩散器。
【数据】陶瓷罐尺寸：14 cm（高）×7 cm（直径）×0.5 cm（厚度）；电极尺寸：2 cm × 4.5 cm；外电阻：1000 Ω；容器体积：300 mL；自来水体积：250 mL；密封材料：中性固化RTV硅胶；厌氧处理：N₂吹扫
2.3 湖泊沉积物分析
湖泊沉积物经分析（见表1和表2）后用作MFC的接种物。其余样品保存在4 °C以备后续使用。
【数据】保存温度：4 °C
2.4 沉积物理化及生物质量
结果（表1）表明，无沉积物时COD污染参数为32 mg L⁻¹，反映低污染水平。相反，存在沉积物时COD升至106 mg L⁻¹，揭示Dounia Park湖沉积物中存在有机物质。如表2所示，沉积物水体富含微生物，这对启动CSMFC中的电活性过程至关重要。
【数据】COD（无沉积物）：32 mg L⁻¹；COD（有沉积物）：106 mg L⁻¹
2.5 电学分析
电极输出以mV为单位测量。使用欧姆定律（I = V/R）计算电流I（mA），在1000 Ω下串联测量。使用P = I·V计算功率（mW）。功率密度（mW/m²）和电流密度（mA/m²）基于阳极表面积（m²）计算。使用不同电阻器生成MFC极化曲线，功率密度根据Logan的方法[40]计算。
【数据】电流计算公式：I = V/R；功率计算公式：P = I·V；测量电阻：1000 Ω
2.6 电化学分析
对来自Dounia Park的湖泊沉积物进行了电活性测试。实验在受控电化学条件下进行，使用三电极电化学装置，包括石墨工作电极、铂网辅助电极（用乙醇和去离子水清洗）和饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极。采用计时电流法在受控电位下检测沉积物细菌的电活性。研究了三个电位：−0.2、+0.155和+0.2 V（vs SCE），并添加20 mM乙酸盐。实验在30 °C下进行，使用磁力搅拌。电化学池中使用N₂气泡以维持厌氧条件，防止有机底物（乙酸盐）的氧化。
【数据】工作电极：石墨；辅助电极：铂网（乙醇+去离子水清洗）；参比电极：SCE；测试电位：−0.2、+0.155、+0.2 V vs SCE；乙酸盐浓度：20 mM；温度：30 °C；搅拌：磁力搅拌；气氛：N₂
2.7 CSMFC作为生物传感器的测试
测试期间，使用氮气维持低氧水平，使用压缩空气提高并稳定容器内的高氧浓度。曝气系统由标准水族箱气泵（标称流量2–3 L·min⁻¹）组成，连接至靠近阴极表面的细孔陶瓷扩散器，以确保氧气均匀分布。在CSMFC中评估了多个氧水平，特别是0 mg L⁻¹值——尽管强烈注入氮气，由于装置检测限[37]，该值在绝对意义上无法达到。使用Hanna Instruments HI 9146商用传感器读数作为对照。
采用全因子实验设计（DoE）评估环境参数在不同条件下对CSMFC作为生物传感器的影响。DoE中组合了四个因素：通过用0.5 M HCl或NaOH溶液调节自来水的pH来测试pH变化；通过添加NaCl测试不同电导率下的传感器响应；随后改变外部电阻；温度范围从低到高变化。表3汇总了所有组分的值。
【数据】气泵流量：2–3 L·min⁻¹；pH调节：0.5 M HCl/NaOH；对照传感器：Hanna Instruments HI 9146；DoE因素：pH、电导率（NaCl）、外阻、温度
2.8 电源管理系统（PMS）
采用低功耗能量管理系统，收集陶瓷沉积物-微生物燃料电池（CSMFC，约0.5 V）产生的微量能量，并以最大效率转换为可用电压。目标是使CSMFC自身能够进行溶解氧（DO）测量，从而充当自主环境监测装置。此外，该系统旨在通过将CSMFC产生的低输入电压（0.5 V）转换为3.3 V的高输出电压，为温度传感器等其他传感器供电。电路基于BQ25570——一款专为超低功耗能量收集应用设计的集成电路。为便于BQ25570冷启动，连接了一个小型太阳能电池板（2 V）作为辅助电源，在CSMFC开始持续运行前对存储电容器进行初始充电。启动后，系统仅使用CSMFC产生的电力自主运行。除了确保最佳能量利用外，该电路还高效地将低电压提升至适合为电子元件供电的水平。
【数据】CSMFC输出电压：约0.5 V；升压后输出：3.3 V；PMS芯片：BQ25570；辅助电源：太阳能板 2 V
研究结果
3.1 阳极生物膜研究
为研究沉积物微生物燃料电池的生物电化学特性，采用了计时电流法测量。该技术可精确控制阳极相对参比电极的电位，便于分析阳极上生物膜的活性和生长[43,44]。在无氧条件下，导电石墨电极在乙酸盐氧化过程中充当唯一的电子受体，产生最大电流密度（imax）。研究中的石墨工作电极浸没在Dounia Park Lake的沉积物中，并在不同电位下极化：−0.2、+0.155、+0.2 V（vs SCE）。施加电位（−0.2 V、+0.155 V和+0.2 V vs SCE）的选择基于与乙酸盐氧化电位（E° = −0.531 V vs SCE）相关的热力学和生物电化学考量。负电位有助于确定产生电流所需的极限电位。
进行了对照实验，证明在没有生物膜的情况下没有产生显著电流，从而确认电产生具有生物起源，符合结构电化学报告[45]。所有极化电极在检测到电流密度增加之前均表现出显著的滞后期，为4–5天。峰值电流密度值分别为：−0.2 V vs SCE时为0.1 A/m²，+0.155 V vs SCE时为0.18 A/m²，+0.2 V vs SCE时为3.5 A/m²。湖泊沉积物表现出的电流密度与施加电位的增加相关，并对底物的存在与否作出响应。与阳极施加电位相关的最大电流升高表明，微生物在阳极电位与底物标准生物氧化还原电位之间获得了能量，即更负的ΔG°[46,47]，如式(1)所示：
(1) ΔG° = −nF(E_anode − E°_substrate)
其中ΔG°′（J/mol）为标准生物条件下的吉布斯自由能（T = 25 °C，pH = 7），n为转移电子数，F为法拉第常数（96,485 C/mol），E_anode（V）和E°_substrate（V）分别为阳极电位和底物的标准生物氧化还原电位。
在标准乙酸盐氧化电位（−0.531 V vs SCE，pH 7）下，计算得到的增益电位为（(−0.2) − (−0.531)）= 0.331 V，表明在施加电位−0.2 V时，工作电极作为产电厌氧菌（EAB）的弱电子受体，从乙酸盐氧化中收集电子。然而，+0.2 V时的能量增益更高（(+0.2) − (−0.531)）= 0.731 V，而+0.155 V时的能量增益为0.686 V，这解释了与产生的电流密度的比例关系。该研究表明，Dounia Park Lake的沉积物是MFC阳极的有趣天然接种物。在受控条件下进行的计时电流法为评估生物膜的电活性提供了一种快速方法，有助于规划微生物燃料电池的设计（图2）。
【数据】滞后时间：4–5天；峰值电流密度（−0.2 V）：0.1 A/m²；峰值电流密度（+0.155 V）：0.18 A/m²；峰值电流密度（+0.2 V）：3.5 A/m²；乙酸盐标准氧化电位：−0.531 V vs SCE；法拉第常数：96,485 C/mol；能量增益（−0.2 V）：0.331 V；能量增益（+0.155 V）：0.686 V；能量增益（+0.2 V）：0.731 V；标准条件：25 °C，pH 7
3.2 Dounia Park Lake生物质的能量回收
通过电化学研究鉴定出电活性细菌后，使用连接固定外阻（1000 Ω）的陶瓷沉积物微生物燃料电池（CSMFC）装置评估其性能，电压输出通过数据采集系统（DAQ-9600）记录。图3显示了CSMFC运行750天的电压-时间曲线。
初始滞后阶段后，电池电压呈指数上升。乙酸盐耗尽后电压急剧下降，形成重复的循环模式。滞后阶段估计为9个月，明显长于典型MFC系统（滞后期为2至10天，取决于设计和接种物[48,49]）。来自原始细菌源（废水）的电活性细菌的适应和选择可能在此期间发生[22,50]。延长滞后期的原因可能是使用厚陶瓷容器作为阳离子交换膜，与传统膜相比限制了质子传递[51]。已有类似行为被观察到，表明基于生物或天然材料的系统可能需要长达5个月的长运行期才能达到稳定性能[52]。随着陶瓷壁厚度的增加，传递也可能减少[27,53]。
经过这段延长滞后阶段后，在后续批次循环中可产生恒定电压。峰值电压在约九个循环后从169 mV逐渐增加至200 mV，证明成熟生物膜的形成[54]。在长期运行期间定期补充乙酸盐，使CSMFC的长期运行展示出稳定的电压产生循环。该循环包括底物添加后功率快速增加（表明底物是限制因素），随后电压逐渐急剧下降。从图3可以看出，与第一批次相比，后期补料批次循环中观察到更高的电压输出，电压达到200至280 mV。循环分为三个阶段：上升-平稳和下降，类似于计时电流分析。这些特征已在多项研究中发现[54–56]。
此外，在运行两年多后，陶瓷沉积物微生物燃料电池未受长期研究影响，仍产生稳定电压，突出了生物膜的有效性。这种情况可归因于使用来自废水的接种物且以乙酸盐为唯一底物，未产生可能改变电压产生的竞争性生物过程[50]。
【数据】外阻：1000 Ω；运行时间：750天；滞后阶段：约9个月；典型MFC滞后：2–10天；峰值电压（9个循环后）：169→200 mV；后期循环电压：200–280 mV；运行超过2年电压稳定
3.3 氧水平对电极电位的影响
通过改变电路电荷作为电流的函数来检查电极电位。目的是评估SCMFC中两种氧环境水平之间的行为：将SCMFC的阴极浸入自来水中，使用泵曝气器充氧至8 mg L⁻¹（DO），然后用氮气脱气15分钟，将DO水平降至1 mg L⁻¹。图4.a显示了溶解氧（DO）水平对CSMFC性能的影响，如极化曲线所示，在高DO水平下最大功率密度达到70 mW/m²，而在低DO水平下仅为12 mW/m²。
在氧气浓度为8 mg L⁻¹时，阳极电极电位从−0.644 V升至−0.503 V（vs SCE），电流密度范围为0至0.45 A/m²。在氧气浓度为1 mg L⁻¹时，阳极电位也呈现类似趋势，从−0.645 V移至−0.558 V，电流密度从0增至0.14 A/m²（图4.b）。这些负阳极电位与其他研究一致[57,58]，报道了最大产电活性对应的阳极电位范围为−344至−464 mV（vs SCE）。阳极电位变化较小，表明阳极性能稳定。换言之，无论DO水平如何，阳极运行保持相对稳定。
然而，在DO水平为1 mg L⁻¹时，由于氧气浓度不足，限制了其作为阴极电子受体的可用性，电流保持较低。相反，随着氧水平降低，阴极电位趋势显著下降（图4.c）。在曝气环境（8 mg L⁻¹）中，阴极达到−0.356 V（vs SCE），电流密度从0增至1.11 A/m²；而在脱气介质（1 mg L⁻¹）中，阴极电位降至−0.5 V（vs SCE），电流密度范围为0至0.09 A/m²。此外，与较低水平相比，阴极和阳极电极在高DO水平下均表现出更好的性能。阴极相较于阳极的显著极化表明，主要限制源于阴极。
【数据】高DO条件：8 mg L⁻¹；低DO条件：1 mg L⁻¹（N₂脱气15 min）；最大功率密度（高DO）：70 mW/m²；最大功率密度（低DO）：12 mW/m²；阳极电位（8 mg/L，0–0.45 A/m²）：−0.644→−0.503 V vs SCE；阳极电位（1 mg/L，0–0.14 A/m²）：−0.645→−0.558 V vs SCE；阴极电位（8 mg/L，0–1.11 A/m²）：−0.356 V vs SCE；阴极电位（1 mg/L，0–0.09 A/m²）：−0.5 V vs SCE
3.4 传感器标定与性能
图5展示了CSMFC作为传感器在不同DO浓度下的响应。图5.a显示了DO水平与电压之间的线性相关性，R² = 0.96，灵敏度为20 mV/mg·L⁻¹（DO）。图5.b为CSMFC校准曲线的残差图，图5.c进一步验证了传感器在0–8 mg L⁻¹ DO范围内的线性响应特性。
图6显示了CSMFC生物传感器用于溶解氧测量的组合阶跃响应与校准结果。传感器对DO浓度变化表现出快速响应和可逆性，进一步确认了其作为实时DO监测传感器的适用性。
【数据】线性相关系数R²：0.96；灵敏度：20 mV/mg·L⁻¹（DO）；线性范围：0–8 mg L⁻¹
3.5 电源管理集成与自供电运行
图7展示了集成BQ25570转换器和微控制器功耗建模的SC-MFC系统示意图。该系统将CSMFC产生的低电压（约0.5 V）提升至3.3 V，为低能耗传感器供电。
图8展示了PMS中利用BQ25570的冷启动机制和充放电行为。图8.a显示了充放电曲线，图8.b展示了冷启动区域。冷启动过程中，小型太阳能板（2 V）作为辅助电源为存储电容器初始充电，之后系统仅依靠CSMFC产生的电力自主运行。
图9展示了系统在长期运行中的性能表现。
【数据】输入电压：约0.5 V（CSMFC）；输出电压：3.3 V；辅助电源：2 V太阳能板；PMS芯片：BQ25570
讨论与解读
本研究开发了一种基于陶瓷微生物燃料电池的先进传感器方法，可作为水生环境中溶解氧（DO）监测的低成本实时解决方案。利用Dounia Park Lake接种物的电化学测试显示出良好的电流产生能力，表明该方法可能适用于其他含电活性细菌的环境。CSMFC装置对DO水平表现出强线性响应（R² = 0.96，0–8 mg/L），适用于实时监测应用。因子实验设计（DoE）分析表明，温度和外阻是影响CSMFC性能的主要参数，而pH和电导率影响可忽略，说明系统对水质条件变化具有适应性。配合电源管理系统（PMS），CSMFC可将低输出电压提升至3.3 V，为低能耗传感器供电。未来研究可涉及开发PMS协议，以实现自主环境监测装置（CSMFC）对DO的实时监测。
编译者解读
该研究展示了合成生物学与环境工程交叉领域的典型创新路径——利用天然微生物群落而非工程菌株构建生物传感器。其核心亮点在于"废物利用"策略：回收火车刹车片碳板作电极、商业陶罐作质子交换膜，大幅降低了器件成本。然而，9个月的滞后启动期和厚陶瓷壁对质子传递的限制，暴露了天然材料作为生物电化学界面的效率瓶颈。从应用角度看，20 mV/mg·L⁻¹的灵敏度和0.96的线性相关系数已满足环境监测基本需求，但0–8 mg/L的检测范围对富营养化水体（DO可低至0 mg/L）的极端低氧预警能力有限。电源管理系统的集成是迈向自主化传感节点的关键一步，但冷启动仍需太阳能辅助，完全自供电的长期稳定性尚待验证。未来若能将合成生物学手段引入——如工程化产电菌株以缩短启动期——有望进一步提升该平台的实用价值。
参考来源
Y. Mounia Azri. Development of an eco-friendly and cost-effective biosensor for monitoring dissolved oxygen based on a ceramic-sediment microbial fuel cell. Journal of Water Process Engineering, 2026. DOI: 10.1016/j.jwpe.2025.109312
DOI: 10.1016/j.jwpe.2025.109312