魯 汭，林莉莉，肖恩榮，吳振斌

(1.中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

水污染是一個(gè)影響發(fā)展中國(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)家的世界性問題，其中特別是水體重金屬污染，造成每年超過百萬人終身殘疾甚至失去生命[1]。重金屬污染物主要指相對(duì)體積質(zhì)量在4.0以上的金屬及其化合物造成的環(huán)境污染，由于其具有毒性大、來源廣、殘留時(shí)間長(zhǎng)、有積累性和沿食物鏈富集等特點(diǎn)嚴(yán)重威脅人類健康[1-3]。通過檢測(cè)水環(huán)境中重金屬可保障對(duì)重金屬污染的監(jiān)督和治理，是保護(hù)環(huán)境和提高人民生活水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

當(dāng)前對(duì)重金屬的理化分析方法很多，主要有原子熒光光譜法、原子吸收分光光度法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法等[3]。這類方法靈敏度高，檢出限低，如ρ(Cd)可達(dá)0.001 ng·m-3，ρ(Zn)達(dá)0.04 ng·m-3，但其檢測(cè)成本高，操作過程復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，而且不能反映各種有毒物質(zhì)的綜合效應(yīng)[4]。生物毒性檢測(cè)方法可利用指示生物對(duì)重金屬的生理毒理響應(yīng)，反映水質(zhì)生態(tài)毒性的綜合效應(yīng)，但這類方法普遍存在靈敏度低、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、維護(hù)成本高和指示生物保存困難等缺陷[5]。因此，迫切需要開發(fā)能實(shí)時(shí)在線、快速、簡(jiǎn)便、靈敏度高、易維護(hù)的生物毒性檢測(cè)裝置[6]。

近年來，微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)型生物傳感器以其低成本、操作簡(jiǎn)單、能實(shí)現(xiàn)污染物在線自動(dòng)檢測(cè)等特點(diǎn)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面有著廣泛的應(yīng)用前景[6-7]。MFC型生物傳感器已逐步應(yīng)用于水質(zhì)溶解氧(DO)[8]、生化需氧量(BOD)[9]和化學(xué)需氧量(COD)[7,10]等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。而對(duì)重金屬離子的檢測(cè)與預(yù)警還在研究開發(fā)中，MFC型生物傳感器對(duì)單一或多種重金屬離子的檢測(cè)可能成為未來研究的新趨勢(shì)。因此，該文從原理、評(píng)價(jià)指標(biāo)和性能影響因素等方面，綜述了近十年MFC型生物毒性傳感器在重金屬離子檢測(cè)方面的研究和應(yīng)用進(jìn)展，為其逐步應(yīng)用發(fā)展提供支撐和參考。

1 MFC型生物傳感器原理

MFC是在產(chǎn)電微生物的催化作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置[11]。MFC通常包含陰、陽(yáng)兩個(gè)極室，中間由質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)分隔開，兩極通過含負(fù)載的外部電路連接。產(chǎn)電微生物在陽(yáng)極表面聚集形成生物膜[12]，利用葡萄糖和醋酸等可降解有機(jī)物產(chǎn)生二氧化碳、質(zhì)子和電子；電子直接或間接傳遞至陽(yáng)極，然后通過外電路到達(dá)陰極，質(zhì)子通過溶液遷移到陰極，并與來自外電路的電子和陰極室的氧氣反應(yīng)產(chǎn)生水(圖1)。以此為基礎(chǔ)，利用MFC輸出電信號(hào)與有機(jī)底物濃度呈正比的原理，建立MFC型生物傳感器[13-14]：在干擾MFC產(chǎn)生電流的因素(如溫度、pH和電導(dǎo)率等)保持恒定前提下，當(dāng)有機(jī)底物處于非飽和狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)電微生物的代謝活性隨有機(jī)物濃度增加而增強(qiáng)，產(chǎn)生和傳遞到陽(yáng)極的電子數(shù)量也在持續(xù)增加[15-16]〔圖2(a)〕。相反，當(dāng)所有影響因素(包括有機(jī)物濃度)保持恒定時(shí)，如果進(jìn)水毒性重金屬(如Cu2+、Cr6+等)濃度達(dá)到一定域值，產(chǎn)電微生物內(nèi)各種酶的活性和呼吸代謝過程受到抑制，電子的產(chǎn)生和傳遞受到阻礙，MFC輸出電信號(hào)的衰減與重金屬濃度呈正比[17-18]。根據(jù)這一原理，MFC可作為生物毒性傳感器用于檢測(cè)水中重金屬〔圖2(b)〕。

2 MFC型生物毒性傳感器性能表征特性因子

若要開發(fā)一種新的傳感器，需要了解對(duì)某一特定應(yīng)用的要求以及傳感器應(yīng)具備的特性，并有助于在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)對(duì)其特性進(jìn)行優(yōu)化。在開發(fā)用于傳感目的的MFC技術(shù)時(shí)，必須滿足一些關(guān)鍵特性，保證對(duì)監(jiān)測(cè)物質(zhì)的高靈敏度和監(jiān)測(cè)速度，這些特性有別于用于能量收集的MFC技術(shù)。以下介紹幾個(gè)主要表征MFC型生物毒性傳感器性能的特性因子。這些特性因子的優(yōu)化是在設(shè)計(jì)MFC型生物毒性傳感器時(shí)需要著重考慮的。

2.1 電信號(hào)

選取合適的電信號(hào)和濃度的校正曲線可增強(qiáng)用傳感器檢測(cè)重金屬濃度的準(zhǔn)確性，MFC產(chǎn)生的電信號(hào)種類很多，用于能量收集的MFC關(guān)注輸出電信號(hào)的大小，而用于傳感目的的MFC則關(guān)注輸出電信號(hào)的變化，因此在電信號(hào)的處理上有所差異。MFC型生物毒性傳感器的分析信號(hào)通常指當(dāng)陽(yáng)極生物膜暴露于有毒溶液中時(shí)，傳感器輸出電荷量(coulombic yield，CY)的凈變化。通過將有毒物質(zhì)濃度與抑制率(inhibition ratio，IR)關(guān)聯(lián)建立校正曲線。抑制率(RI)[19]計(jì)算公式為

RI=|Qnor-Qtox|/Qnor×100。

(1)

式(1)中，Qnor為沒有向陽(yáng)極室添加重金屬的MFC型生物毒性傳感器的電荷量，C；Qtox為向陽(yáng)極添加重金屬后MFC型生物毒性傳感器的電荷量，C。

在一些研究中也有根據(jù)電壓信號(hào)的變化或電流信號(hào)的變化計(jì)算抑制率并將其與有毒物質(zhì)濃度建立校正曲線。如喬軍晶[20]的研究中使用了電壓峰值抑制率(RI,U)，其計(jì)算公式為

(2)

式(2)中，Vnor為沒有向陽(yáng)極添加重金屬的MFC輸出的電壓峰值，V；Vtox為向陽(yáng)極添加重金屬后MFC輸出的電壓峰值，V。STEIN等[21]使用電流密度作為對(duì)重金屬的檢測(cè)信號(hào)，其抑制率計(jì)算方法與以電壓和電荷量作為檢測(cè)信號(hào)的計(jì)算方法相似。

電荷量、電壓和電流都是表達(dá)MFC裝置輸出電能性能的參數(shù)，但電荷量是一個(gè)周期內(nèi)電子從陽(yáng)極轉(zhuǎn)移到陰極的量，而電流和電壓表示MFC輸出電能的瞬時(shí)值，所以電荷量的變化代表了時(shí)間綜合毒性效應(yīng)的變化，而電流和電壓信號(hào)的變化則代表了毒性反應(yīng)速率的變化，3種信號(hào)需依據(jù)具體情境和需要選擇。

2.2 靈敏度

MFC型生物毒性傳感器靈敏度(S)[10]的定義通常指在陽(yáng)極單位表面積條件下每單位分析物濃度變化所引起的電信號(hào)變化，計(jì)算公式為

(3)

式(3)中，ΔI為輸出電流的變化，μA；Δc為分析物濃度變化，mmol·L-1；A為陽(yáng)極表面積，cm2。

MFC型生物毒性傳感器的靈敏度取決于目標(biāo)毒物的特性[19,21]、產(chǎn)電微生物相互作用的機(jī)理[22]和對(duì)污染物質(zhì)的親和力[21]。一般陽(yáng)極表面積為一定值，ΔI/Δc為輸出電流與分析物濃度曲線的斜率，靈敏度越高、斜率越大的傳感器對(duì)重金屬的電信號(hào)響應(yīng)就越顯著，有利于傳感器對(duì)水體重金屬濃度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.3 檢測(cè)限

當(dāng)MFC型生物毒性傳感器用于檢測(cè)重金屬時(shí)，重金屬濃度低于檢測(cè)下限時(shí)電信號(hào)可能不會(huì)出現(xiàn)明顯變化，而當(dāng)重金屬濃度超過檢測(cè)上限時(shí)將導(dǎo)致輸出電流降至零且無法恢復(fù)[22]。由表1[10,19-33]可知，部分MFC型生物毒性傳感器對(duì)重金屬的檢測(cè)下限低于世界衛(wèi)生組織公布的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可作為檢測(cè)水環(huán)境中重金屬濃度的實(shí)時(shí)預(yù)警裝置。而傳統(tǒng)的生物測(cè)定法[5]利用如斑馬魚、發(fā)光細(xì)菌(VibrioqinghaiensisQ67)和爪蟾胚胎在重金屬環(huán)境下的存活率、畸形率和生長(zhǎng)抑制率等得到的檢測(cè)下限僅達(dá)mg·L-1，無法達(dá)到要求，其他復(fù)雜的分析方法如原子熒光光譜法又過于昂貴、耗時(shí)，不適用于在線監(jiān)測(cè)。

2.4 時(shí)間因素

2.4.1響應(yīng)時(shí)間

MFC型生物毒性傳感器的響應(yīng)時(shí)間[34]一般指陽(yáng)極產(chǎn)電微生物對(duì)進(jìn)水中重金屬離子響應(yīng)并表現(xiàn)在裝置輸出電信號(hào)上且校正曲線的相關(guān)性為最高時(shí)的時(shí)間。STEIN等[21]研究發(fā)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間與裝置的膜類型和電勢(shì)有關(guān)，SHEN等[24]研究表明響應(yīng)時(shí)間與水力停留時(shí)間和重金屬濃度有關(guān)。響應(yīng)時(shí)間是MFC型生物毒性傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵因素，如果測(cè)定時(shí)間太短，生化反應(yīng)不完全，輸出信號(hào)變化則不明顯，會(huì)影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性；如果測(cè)定時(shí)間太長(zhǎng)，則達(dá)不到實(shí)時(shí)測(cè)定的時(shí)效性目的，不利于實(shí)際應(yīng)用。因此，優(yōu)化MFC型生物毒性傳感器的響應(yīng)時(shí)間是后續(xù)傳感器設(shè)計(jì)需要考慮的重要方面。

表1 用于檢測(cè)重金屬的微生物燃料電池(MFC)型生物毒性傳感器性能參數(shù)

2.4.2恢復(fù)時(shí)間

MFC型生物毒性傳感器的恢復(fù)時(shí)間[34]一般指裝置在測(cè)定完樣品后輸出電流恢復(fù)到基線水平所需要的時(shí)間。產(chǎn)電微生物快速完全恢復(fù)到檢測(cè)前狀態(tài)是MFC型生物毒性傳感器能夠在線、長(zhǎng)期進(jìn)行重金屬監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。理想情況下重金屬引起的微生物活性下降應(yīng)該是完全可逆的。然而，實(shí)際情況是一部分微生物活性下降是可逆的，另一部分微生物活性下降是不可逆的，如硬壁菌和芽孢桿菌對(duì)Cu2+的耐性要優(yōu)于醋酸桿菌、梭菌和芽孢乳桿菌[23]。即使對(duì)于活性可逆的微生物，由于時(shí)間的限制，可能無法完全恢復(fù)到原有水平。為了評(píng)估微生物的恢復(fù)情況，提出了“恢復(fù)程度(degree of recovery)”的術(shù)語(yǔ)，定義為裝置輸出信號(hào)恢復(fù)到基線水平的百分比?；謴?fù)程度受到重金屬類型、濃度、陽(yáng)極生物膜和傳感器操作的影響[24]。

傳統(tǒng)的生物檢測(cè)方法如利用隆線溞[35]的趨光行為變化評(píng)價(jià)Cr6+生物毒性，其檢測(cè)時(shí)間為3 h，恢復(fù)時(shí)間取決于該生物的繁殖能力和生命周期，若使用斑馬魚[5]，其檢測(cè)時(shí)間為48 h，馴養(yǎng)時(shí)間(即恢復(fù)時(shí)間)在7 d以上。所以，對(duì)比傳統(tǒng)生物檢測(cè)方法，MFC型生物毒性傳感器具有更短的響應(yīng)時(shí)間和更短的恢復(fù)時(shí)間。而對(duì)比傳統(tǒng)的理化分析方法，如使用Metalyser HM1000便攜式重金屬測(cè)定儀[6]，其對(duì)Cd和Hg的檢測(cè)時(shí)間僅有10 min，且響應(yīng)時(shí)間也非常短，但其樣品檢測(cè)成本高，每個(gè)樣品的檢測(cè)成本為11.3美元，限制了其推廣應(yīng)用。所以，比較這兩者發(fā)現(xiàn)MFC型生物傳感器具有更大的應(yīng)用潛力。

3 MFC型生物毒性傳感器性能影響參數(shù)

作為一種檢測(cè)裝置，MFC型重金屬生物毒性傳感器若要運(yùn)用于實(shí)際工程檢測(cè)中，應(yīng)滿足高靈敏度、快速響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間短和較好的線性度等條件。而MFC裝置構(gòu)型、離子交換膜、電極材料和接種源等參數(shù)的變化都有可能影響MFC型生物傳感器的性能。優(yōu)化MFC型生物毒性傳感器能更好地推進(jìn)其在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。近十年MFC型生物毒性傳感器對(duì)重金屬的檢測(cè)研究總結(jié)見表1。

3.1 MFC構(gòu)型

從MFC的組裝和結(jié)構(gòu)上可以將MFC分為單室、雙室和“三合一”3種構(gòu)型[11,36]。

傳統(tǒng)的雙室MFC[15,18]主要由陽(yáng)極室、陰極室和質(zhì)子交換膜組成，樣品進(jìn)入陽(yáng)極室，陽(yáng)極生物膜作為敏感元件對(duì)重金屬做出響應(yīng)，陰極室一般需要連續(xù)曝氣為陰極提供足夠的氧氣作為電子受體。傳統(tǒng)雙室MFC裝置在實(shí)驗(yàn)室中易于搭建，在小試和中試中得到廣泛使用，但其體積較大，操作和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較大的電極間距導(dǎo)致MFC內(nèi)阻增高，在實(shí)際應(yīng)用中各項(xiàng)參數(shù)也不易控制，此外所用的質(zhì)子交換膜價(jià)格昂貴，所以不利于實(shí)際應(yīng)用推廣。

單室MFC[16-17]的陽(yáng)極和陰極在同一反應(yīng)室，樣品進(jìn)入反應(yīng)室與陽(yáng)極生物膜接觸，陰極和質(zhì)子交換膜壓合省去了陰極室，利用空氣中的氧氣作為陰極電子受體。單室MFC體積小，便于攜帶，電極間距也相應(yīng)減小，提高了MFC的輸出功率。盡管如此，如表1所示，單室MFC體積縮小有限，一般為20～150 mL[36]，難以直接安裝在廢水處理設(shè)備上，且較大體積的MFC所含大量廢水可能導(dǎo)致內(nèi)阻不穩(wěn)定，增加產(chǎn)生故障信號(hào)的可能性。

“三合一”型MFC如紙基MFC(paper-based microbial fuel cell)[37]將碳布和紙基質(zhì)子交換膜一起壓合，利用碳布的兩面分別作為陰、陽(yáng)極，將MFC體積從毫升級(jí)減小到微升級(jí)，同時(shí)陽(yáng)極體積也減小，陽(yáng)極上的微生物量更低，相應(yīng)所需的接種馴化時(shí)間更短。FRAIWAN等[37]的試驗(yàn)中將紙基MFC放入待測(cè)樣品中，立即就能產(chǎn)生電流，不像傳統(tǒng)MFC陽(yáng)極需要幾天到幾周的微生物積累和馴化時(shí)間，解決了傳統(tǒng)MFC傳感器存在的馴化時(shí)間較長(zhǎng)的問題。但在實(shí)際應(yīng)用中鐵氰化鉀并不適合作為陰極電子受體，且紙基MFC的機(jī)械強(qiáng)度低，遇水后易出現(xiàn)破漏，影響現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。而另外一種“三合一”型MFC通過堆疊2個(gè)沒有質(zhì)子交換膜和紙基的扁平過濾膜開發(fā)出一種簡(jiǎn)單的微流體MFC(flat microliter membrane-based microbial fuel cell)傳感器[32]，使用刷子在濾膜上畫出多條碳墨線，以有效地轉(zhuǎn)移膜上微生物產(chǎn)生的電子，整體厚度小于2 mm，在裝置組裝前將陽(yáng)極膜置于單室MFC中進(jìn)行接種和掛膜3 h，組裝完成后其能對(duì)Cr6+和Ni2+的沖擊做出快速響應(yīng)。

MFC傳感器構(gòu)型多樣，但需要與其他水質(zhì)傳感器聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，MFC裝置結(jié)構(gòu)的微型化、集成化和智能化是必不可少的，也是未來MFC傳感器構(gòu)型發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2 MFC離子交換膜

離子交換膜[11]是MFC的重要組成部分，它不僅是一種隔膜材料，也作為一種選擇性透過膜，起著傳導(dǎo)質(zhì)子、分隔氧化劑和還原劑的作用。離子交換膜類型很多，如：陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜、一價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜和雙極膜等。在進(jìn)行MFC裝置設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮不同類型離子交換膜對(duì)傳感器檢測(cè)重金屬的影響。

當(dāng)采用MFC型生物毒性傳感器檢測(cè)重金屬時(shí)，含重金屬的廢水進(jìn)入MFC陽(yáng)極室，會(huì)向陽(yáng)極生物膜擴(kuò)散，此部分向陽(yáng)極生物膜擴(kuò)散的重金屬濃度通過輸出的電信號(hào)被檢測(cè)到。除此之外，由于大部分MFC傳感器都使用陽(yáng)離子交換膜，帶正電荷的重金屬離子可能會(huì)通過膜向陰極室遷移擴(kuò)散。此外，在陽(yáng)離子交換膜中發(fā)生的離子交換可以使帶正電荷的重金屬離子在膜中被吸收。重金屬離子向陰極和質(zhì)子交換膜上的擴(kuò)散可能長(zhǎng)期降低陽(yáng)極室和生物膜中重金屬離子濃度，影響了MFC型生物傳感器對(duì)進(jìn)水中重金屬濃度的準(zhǔn)確響應(yīng)。因此，選擇合適的離子交換膜，減少重金屬離子從陽(yáng)極室流向膜和陰極室的量，從而增加生物膜中重金屬濃度，使生物膜中微生物代謝活動(dòng)受抑制更顯著，靈敏度更大，檢測(cè)下限更低，檢測(cè)誤差更小，有利于MFC傳感器對(duì)重金屬?zèng)_擊的響應(yīng)。

傳統(tǒng)MFC中，陽(yáng)離子交換膜得到廣泛使用，其他類型離子交換膜，包括陰離子交換膜、一價(jià)選擇性陽(yáng)離子交換膜和雙極膜也有使用。STEIN等[21]以金屬鎳為例測(cè)試了這4種膜對(duì)MFC生物毒性傳感器的影響，結(jié)果表明離子交換膜的改變對(duì)傳感器靈敏度的影響不顯著。常定明[30]通過對(duì)MFC中鎳離子的分布與去除機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，75.56%的鎳在陽(yáng)極被沉淀去除，15.04%的鎳在陰極被沉淀去除，只有不到1%的鎳分布在陽(yáng)離子交換膜上。與鎳離子相似，發(fā)現(xiàn)61.77%的銅以固體形式沉積在陽(yáng)極室和玻璃器壁上，37.77%的銅被吸附在陽(yáng)極生物膜上，只有0.33%的銅吸附在陽(yáng)離子交換膜上，極少量銅遷移到陰極。這也說明陽(yáng)離子交換膜對(duì)金屬鎳、銅離子的影響是有限的。其他重金屬離子對(duì)離子交換膜的影響是否與鎳離子和銅離子相似有待進(jìn)一步研究。

3.3 MFC電極材料

同其他燃料電池相比，MFC電極材料原料來源廣泛，可使用的電極材料種類繁多，因此也降低了MFC型生物毒性傳感器的制作成本。選取合適的電極材料可以降低MFC的內(nèi)阻，避免重金屬在電極的富集，提高傳感器的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確性。

MFC陽(yáng)極材料應(yīng)具有耐腐蝕、電導(dǎo)率高、比表面積大和不易堵塞等特點(diǎn)。當(dāng)前MFC陽(yáng)極常用的電極材料有碳布、石墨棒和石墨氈等[25,27]。但普通石墨電極的電導(dǎo)率、功率密度和微生物富集量有限，因此在普通石墨電極的基礎(chǔ)上，進(jìn)行化學(xué)修飾制作出如鉑/石墨電極、穿孔鉑/石墨電極和錳修飾針織石墨電極等，提高M(jìn)FC性能。PARK等[38]的研究中討論了使用Mn4+修飾石墨和中性紅共價(jià)鍵連接的編織石墨作為陽(yáng)極的單室MFC產(chǎn)電性能，結(jié)果表明通過將電子介體摻入石墨電極中可以將傳統(tǒng)石墨電極的產(chǎn)電能力增加1 000倍。此外，通過碳材料的改性、導(dǎo)電聚合物與碳納米管復(fù)合等方法，可加工成各種形狀和尺寸，形成如鈦絲/聚丙烯腈碳纖維絞合碳刷陽(yáng)極[22]，增加陽(yáng)極電導(dǎo)率。LI等[39]的研究顯示，在MFC對(duì)重金屬?gòu)U水處理過程中，F(xiàn)e3+和Cr6+的氧化還原電位高于MFC陽(yáng)極的工作電位，重金屬將沉積在陽(yáng)極表面，增大了檢測(cè)誤差。重金屬離子在陽(yáng)極發(fā)生的非生物化學(xué)反應(yīng)對(duì)MFC毒性監(jiān)測(cè)的影響以及解決辦法有待進(jìn)一步研究。此外，對(duì)避免重金屬富集的陽(yáng)極材料的研發(fā)也是未來的研究方向。

陰極性能是影響MFC性能的重要因素。陽(yáng)極遷移來的質(zhì)子與電子受體在陰極發(fā)生還原反應(yīng)。陰極材料應(yīng)具有較好的還原催化性、來源廣泛和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。近些年，多采用碳布、石墨和碳紙[32]等基礎(chǔ)材料，再通過附載高活性催化劑如鉑、PbO2、四甲氧基苯基鈷卟啉和酞菁鐵等增加其還原催化性[40-41]。另外，以好氧微生物為催化劑的生物陰極以其可應(yīng)用性和可持續(xù)性在MFC中得到廣泛運(yùn)用[42]。但在MFC傳感器對(duì)重金屬離子的監(jiān)測(cè)中，擴(kuò)散至陽(yáng)極的金屬離子作為電子受體，在陰極被還原，可能造成陰極催化劑中毒，增大檢測(cè)誤差，因而重金屬對(duì)MFC傳感器陰極的影響有待探究。

3.4 MFC控制模式

常用的外電路連接方式有3種[14]：一是固定外部電阻(external resistance，ER)并記錄電阻兩端的電壓；二是利用恒電位器保持陽(yáng)極生物膜上的恒定電位(constant potential，CP)，并測(cè)量產(chǎn)生的電流；三是在MFC上施加外部電壓(external voltage，EV)來克服MFC內(nèi)阻，從而提高電信號(hào)輸出。控制模式的選擇影響著傳感器的監(jiān)測(cè)性能，在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

傳統(tǒng)的MFC一般使用外電阻連接方式，其成本低，操作簡(jiǎn)單。但使用外電阻方式連接時(shí)電信號(hào)同時(shí)受到陽(yáng)極和陰極條件的影響，在檢測(cè)過程中很難保持陽(yáng)極電勢(shì)恒定。而陽(yáng)極微生物從陽(yáng)極過電位獲得能量，陽(yáng)極電勢(shì)的變化將影響微生物生長(zhǎng)，導(dǎo)致電信號(hào)波動(dòng)，影響檢測(cè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。因此，需要控制陽(yáng)極過電位以防止在檢測(cè)重金屬時(shí)出現(xiàn)誤報(bào)。所以使用恒定電位的控制方式，可以保持基線電流的穩(wěn)定，相比外阻連接方式具有更高的靈敏度[28-29]。但使用恒電位器則需使用參比電極，增加了成本且無法實(shí)現(xiàn)自供能監(jiān)測(cè)。除此之外，在一些研究中也會(huì)使用恒電流儀代替恒電位儀，保持MFC傳感器的電流恒定，然后分析所記錄的MFC電壓或陽(yáng)極電位信號(hào)[33]。施加外部電壓的控制方式在MFC中也有使用，如JIN等[43]在雙室MFC上通過外加電壓方式縮短了MFC傳感器的響應(yīng)時(shí)間。

3.5 MFC微生物

MFC中產(chǎn)電微生物菌群豐富，接種來源廣泛。主要使用污水處理廠活性污泥、河道沉積物、土壤、海水沉積物和MFC裝置出水等進(jìn)行產(chǎn)電微生物接種。主要的產(chǎn)電微生物[12,44]有土桿菌屬、希瓦氏菌屬、紅育菌屬和假單胞菌屬等。此外，也有使用單一菌種嗜鉻色桿菌YC152[31]為MFC進(jìn)行接種，對(duì)Cr6+進(jìn)行檢測(cè)。

傳統(tǒng)MFC中產(chǎn)電微生物可能會(huì)在重金屬的脅迫下失去產(chǎn)電能力，而用于重金屬監(jiān)測(cè)的MFC產(chǎn)電微生物應(yīng)對(duì)重金屬具有一定的耐受性，其產(chǎn)電能力僅在短時(shí)間內(nèi)被抑制，而在無重金屬脅迫下其產(chǎn)電能力可快速恢復(fù)。根據(jù)LOGAN[12]和LOVLEY[44]對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)電微生物的介紹和黨政等[45]關(guān)于微生物對(duì)重金屬的響應(yīng)，歸納出可能用于MFC型生物傳感器的產(chǎn)電微生物菌屬(表2[31,46-52])。

表2 重金屬耐受性產(chǎn)電微生物菌屬

目前，關(guān)于MFC生物毒性傳感器中產(chǎn)電微生物的研究鮮有報(bào)道。不同重金屬對(duì)產(chǎn)電微生物的抑制程度不一。YU等[26]的研究表明Hg2+> Cu2+> Cd2+> Zn2+> Pb2+> Cr3+；而在YI等[25]的研究中為Cd2+>Ni2+>Cu2+，這可能與裝置結(jié)構(gòu)和金屬濃度有關(guān)。這一結(jié)果也表明微生物對(duì)不同重金屬的響應(yīng)具有特異性，可用于特定重金屬的監(jiān)測(cè)。但也可能存在著長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)所引起的陽(yáng)極微生物對(duì)重金屬的適應(yīng)性增強(qiáng)的問題，最終導(dǎo)致傳感器靈敏度降低。林稚蘭等[53]關(guān)于微生物對(duì)重金屬的抗性研究中發(fā)現(xiàn)丁香假單胞菌中CopC和CopB編碼蛋白具有抗銅活性，在真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌中發(fā)現(xiàn)czcCBAD系統(tǒng)基因?qū)o2+、Zn2+和Cd2+具有拮抗作用?？梢?，當(dāng)陽(yáng)極產(chǎn)電微生物長(zhǎng)期暴露于含重金屬的溶液中時(shí)，含有拮抗重金屬基因的微生物將逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌。不同的微生物接種源也影響著對(duì)重金屬的監(jiān)測(cè)效果，PATIL等[27]研究中分別使用初沉池中的生物膜態(tài)(biofilm)微生物和懸浮態(tài)(planktonic)微生物接種于MFC陽(yáng)極，結(jié)果顯示與生物膜態(tài)產(chǎn)電微生物相比，同源的懸浮態(tài)產(chǎn)電微生物受抗生素的影響更大。這一現(xiàn)象可能也存在于對(duì)重金屬的檢測(cè)中。當(dāng)前對(duì)MFC型生物毒性傳感器在重金屬的檢測(cè)中陽(yáng)極微生物群落結(jié)構(gòu)的變化研究有限，可通過進(jìn)一步研究以拓展MFC型生物毒性傳感器的理論基礎(chǔ)。此外，可探討產(chǎn)電微生物種類和形態(tài)對(duì)不同重金屬離子的產(chǎn)電響應(yīng)。未來篩選出對(duì)重金屬具有特異性、靈敏度更高和恢復(fù)時(shí)間更短的菌種也是重要的研究方向。

4 結(jié)論和展望

MFC型生物毒性傳感器作為一種新型可實(shí)時(shí)在線檢測(cè)裝置得到了越來越多的關(guān)注，雖然取得了一定的研究進(jìn)展，但離實(shí)際應(yīng)用還有很大差距，其未來發(fā)展和研究方向?qū)⑴c電極材料、專性指示微生物以及通信技術(shù)等方面密切相關(guān)。未來MFC型生物毒性傳感器可能的研究方向：(1)篩選出具有特異性、靈敏度高、恢復(fù)速度快的陽(yáng)極產(chǎn)電微生物菌種，實(shí)現(xiàn)對(duì)某一特定重金屬離子的檢測(cè)。(2)結(jié)合新型材料工藝的發(fā)展，開展MFC型生物毒性傳感器的集成化和裝置體積的微小化研究。(3)結(jié)合5G技術(shù)，研究MFC型生物毒性傳感器的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及智能化擴(kuò)展應(yīng)用。