An experimental study of pH distributions within an electricity-producing biofilm by using pH microelectrode

使用pH微電極研究產(chǎn)電生物膜內(nèi)pH分布的實驗研究

來源：Electrochimica Acta, Volume 251, 2017, Pages 187-194

《電化學(xué)學(xué)報》，第251卷，2017年，第187-194頁

 

摘要

這篇論文通過使用pH微電極量化了產(chǎn)電生物膜及其濃度邊界層和本體溶液中的空間pH分布，并探索了pH分布與電流密度之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，在350微米厚的Geobacter生物膜中，陽極表面附近的pH低至5.57，而本體溶液pH為6.90；生物膜內(nèi)平均pH隨時間降低；pH變化使循環(huán)伏安法的中點電位每pH單位偏移59.0mV；在低緩沖濃度下，陽極表面pH更低。此外，論文還提出了一種通過pH-深度剖面導(dǎo)數(shù)估計生物膜厚度的方法。

 

研究目的

研究目的是量化產(chǎn)電生物膜深度的空間和時間pH分布及變化，探索pH分布與電流密度之間的關(guān)系，并理解pH梯度對生物電化學(xué)系統(tǒng)性能的影響機制。

 

研究思路

研究思路包括：使用丹麥Unisense pH微電極實時測量Geobacter生物膜在不同電流密度下的pH分布；通過pH-深度剖面分析生物膜厚度、邊界層和本體溶液的pH變化；結(jié)合循環(huán)伏安法研究pH對電化學(xué)行為的影響；考察緩沖濃度對pH分布的調(diào)控作用；最終通過數(shù)據(jù)推導(dǎo)生物膜內(nèi)質(zhì)子傳輸機制。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 pH分布數(shù)據(jù)：測量了不同電流密度下生物膜內(nèi)、邊界層和本體溶液的pH-深度剖面。數(shù)據(jù)顯示，隨著電流密度增加，陽極表面pH從7.33降至5.57，而本體溶液pH從7.40降至6.90。這些數(shù)據(jù)來自圖2。研究意義：揭示了生物膜內(nèi)存在顯著pH梯度，質(zhì)子積累隨電流增加而加劇，這直接影響微生物活性和電子傳輸效率，為優(yōu)化生物電化學(xué)系統(tǒng)提供依據(jù)。

 

 

2 生物膜厚度數(shù)據(jù)：通過pH-深度剖面的導(dǎo)數(shù)計算生物膜厚度，發(fā)現(xiàn)生物膜厚度隨電流密度增加從90微米增至350微米，其中活性層約275微米，非活性層隨電流增加而擴大。這些數(shù)據(jù)來自圖3。研究意義：提供了一種非侵入式生物膜厚度估算方法，表明厚度增加導(dǎo)致質(zhì)子傳輸效率下降，非活性層形成會限制底物擴散，但電子傳輸仍可維持。

 

 

3 pH與電流關(guān)系數(shù)據(jù)：陽極表面與本體溶液的pH差隨電流密度線性增加，最大差達1.33單位，質(zhì)子濃度near電極表面比本體高20倍。生物膜內(nèi)平均pH隨電流密度線性下降。這些數(shù)據(jù)來自圖4。研究意義：證實電流產(chǎn)生與質(zhì)子積累直接相關(guān)，pH梯度是限制高電流下性能的關(guān)鍵因素，提示需要緩沖調(diào)控以減輕抑制。

 

 

4 電化學(xué)數(shù)據(jù)：循環(huán)伏安法顯示中點電位隨生物膜內(nèi)平均pH降低而正移，斜率為59.0mV/pH，符合Nernst方程。這些數(shù)據(jù)來自圖5。研究意義：表明電子傳輸過程與質(zhì)子耦合，pH變化可調(diào)控電化學(xué)行為，為生物膜內(nèi)反應(yīng)機制提供證據(jù)。

 

 

5 緩沖濃度影響數(shù)據(jù)：在25mM磷酸緩沖下，陽極表面pH低至4.91，而100mM時為5.73，電流密度隨緩沖濃度增加而提高。這些數(shù)據(jù)來自圖6。研究意義：證明高緩沖濃度可緩解質(zhì)子積累，提升電流輸出，指導(dǎo)實際系統(tǒng)中緩沖策略優(yōu)化。

 

 

結(jié)論

論文得出結(jié)論：產(chǎn)電生物膜內(nèi)存在顯著pH梯度，陽極表面pH可低至5.57，質(zhì)子積累隨電流增加而加劇，抑制微生物活性；生物膜厚度增加導(dǎo)致質(zhì)子傳輸效率下降，但電子傳輸仍可維持；pH變化通過Nernst關(guān)系影響電化學(xué)行為；高緩沖濃度能緩解質(zhì)子積累，提升系統(tǒng)性能。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense pH微電極測量的數(shù)據(jù)提供了高空間分辨率（50微米尖徑）和實時的生物膜內(nèi)pH分布信息，研究意義在于：該技術(shù)允許非侵入式地量化微尺度環(huán)境下的pH變化，直接揭示了質(zhì)子梯度形成機制。測量顯示pH從本體溶液到陽極表面逐漸降低（圖2），證實了質(zhì)子產(chǎn)生與傳輸?shù)牟黄胶庑浴Ｍㄟ^pH-深度剖面導(dǎo)數(shù)分析（圖3），可準(zhǔn)確估算生物膜厚度和活性區(qū)域，避免了傳統(tǒng)破壞性方法。此外，pH與電流密度的線性關(guān)系（圖4）為預(yù)測生物膜代謝狀態(tài)提供了工具，而pH對電化學(xué)行為的調(diào)控（圖5）深化了對質(zhì)子耦合電子傳輸?shù)睦斫狻＿@些數(shù)據(jù)共同表明，Unisense電極是研究生物膜內(nèi)微環(huán)境的關(guān)鍵工具，為優(yōu)化生物電化學(xué)系統(tǒng)設(shè)計提供了實證基礎(chǔ)。