Monitoring Biohydrogen Production and Metabolic Heat in Biofilms by Fiber Bragg Grating Sensors

利用光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)生物膜的產(chǎn)氫和代謝熱

來(lái)源：Analytical Chemistry（2019年，第91卷）

 

論文總結(jié)

研究通過(guò)開(kāi)發(fā)一種微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵（mFBG）傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含有沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris CQK-01）的生物膜中生物氫生產(chǎn)和代謝熱的實(shí)時(shí)、同步監(jiān)測(cè)。以下是對(duì)論文的詳細(xì)總結(jié)。

 

摘要概括

摘要指出，光合細(xì)菌（PSB）生物膜生產(chǎn)生物氫具有高轉(zhuǎn)化率、避免生物質(zhì)-液體分離及兼具廢水降解和連續(xù)產(chǎn)氫的雙重功能等潛在優(yōu)勢(shì)。然而，由于生物膜內(nèi)部生物氫和代謝熱的生產(chǎn)過(guò)程未被有效和準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，其產(chǎn)氫性能（速率和純度）仍較低。本研究創(chuàng)建了一種簡(jiǎn)單的mFBG傳感器，通過(guò)濕法蝕刻將FBG分為兩個(gè)區(qū)域：直徑15μm的溫度傳感區(qū)和直徑8μm、濺射50 nm鈀（Pd）膜的溫度與氫濃度傳感區(qū)。三個(gè)mFBG傳感器以80μm垂直間距均勻分布在聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道（生物膜載體）中，用于監(jiān)測(cè)生物膜內(nèi)的生物氫生產(chǎn)和代謝熱。此外，還研究了生物膜的厚度、表面形態(tài)、活性生物量和孔隙率。mFBG傳感器能快速準(zhǔn)確地測(cè)定由氫濃度和溫度變化引起的布拉格波長(zhǎng)偏移差異，測(cè)量的生物氫濃度與實(shí)際生物氫生產(chǎn)高度相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.9765）。由于從生物膜表面到內(nèi)部活性生物量和孔隙率急劇下降，表層PSB的生物氫生產(chǎn)能力遠(yuǎn)高于內(nèi)部。生物膜厚度為165μm時(shí)獲得最高生物氫濃度（1.218 × 10^4 ppm），生物膜培養(yǎng)中代謝熱產(chǎn)生的溫差約為1.1℃。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問(wèn)題：

 

開(kāi)發(fā)一種能同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物膜內(nèi)生物氫濃度和溫度的傳感器，以?xún)?yōu)化生物膜生長(zhǎng)和增強(qiáng)生物氫生產(chǎn)。

驗(yàn)證mFBG傳感器在離線（受控條件）和在線（生物膜培養(yǎng)）測(cè)量中的準(zhǔn)確性、靈敏度和可靠性。

探究生物膜不同深度（表層、內(nèi)部和底層）的生物氫生產(chǎn)和代謝熱分布差異，并關(guān)聯(lián)生物膜特性（如厚度、孔隙率、活性生物量）。

 

評(píng)估Pd涂層的性能及其對(duì)氫氣的選擇性和響應(yīng)性。

 

研究思路

研究采用多步驟實(shí)驗(yàn)策略：

 

傳感器制備與表征：通過(guò)濕法蝕刻制備mFBG傳感器，形成溫度傳感區(qū)和溫度-氫傳感區(qū)；Pd膜通過(guò)濺射沉積并表征其均勻性、純度和結(jié)構(gòu)（SEM、EDX、XRD）。

離線性能測(cè)試：在受控條件下測(cè)試傳感器對(duì)溫度和氫濃度的響應(yīng)、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和選擇性（如對(duì)CO?的響應(yīng)）。

生物膜培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)：在PDMS光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)R. palustris CQK-01生物膜，使用三個(gè)mFBG傳感器（垂直間距80μm）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物氫濃度和溫度；同時(shí)使用光學(xué)顯微鏡監(jiān)測(cè)生物膜厚度，Unisense H?微電極校準(zhǔn)氫濃度。

生物膜特性分析：通過(guò)環(huán)境掃描電鏡（ESEM）分析生物膜表面形態(tài)；通過(guò)共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）和圖像處理分析孔隙率和活性生物量（使用染色劑如BacLight和SYTO 63）。

 

數(shù)據(jù)整合與驗(yàn)證：使用矩陣分離溫度與氫濃度對(duì)波長(zhǎng)偏移的影響；通過(guò)Gray絕對(duì)關(guān)聯(lián)度（ADGI）驗(yàn)證mFBG測(cè)量值與Unisense微電極數(shù)據(jù)的一致性。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)、其來(lái)源（圖編號(hào)）及研究意義：

 

傳感器結(jié)構(gòu)與表征數(shù)據(jù)（來(lái)源：Figure 1）

 

數(shù)據(jù)：SEM顯示Pd膜均勻致密無(wú)裂紋；EDX證實(shí)Pd元素存在；XRD顯示Pd?晶體結(jié)構(gòu)（峰值40.0°、46.5°、68.1°）。

 

研究意義：驗(yàn)證Pd涂層的純度和機(jī)械性能，確保其對(duì)氫氣的高選擇性和親和力，為傳感器可靠性提供基礎(chǔ)。

 

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖（來(lái)源：Figure 2）

 

數(shù)據(jù)：展示光生物反應(yīng)器、mFBG傳感器布置、流體系統(tǒng)和測(cè)量子系統(tǒng)（包括Unisense微電極）。

 

研究意義：說(shuō)明在線監(jiān)測(cè)的整體設(shè)計(jì)，突出傳感器集成和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集能力。

 

生物膜生長(zhǎng)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（來(lái)源：Figure 3）

 

數(shù)據(jù)：生物膜厚度在198小時(shí)達(dá)298μm；氫濃度測(cè)量顯示四個(gè)階段（穩(wěn)定、快速增加、下降、靜止）；溫度測(cè)量顯示代謝熱導(dǎo)致溫差最高1.1℃（FBG_C1在274μm厚度時(shí)）。

 

研究意義：揭示生物膜生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)和產(chǎn)氫時(shí)空分布；表層產(chǎn)氫更高（如FBG_C2），底層活性低（如FBG_A2）；代謝熱分布反映生物膜內(nèi)部活性差異。

 

生物膜特性數(shù)據(jù)（來(lái)源：Figure 4）

 

數(shù)據(jù)：表層孔隙率最高（88.03±4.96%），底層最低（26.17±8.67%）；活性生物量從表層到底層遞減。

 

研究意義：解釋產(chǎn)氫能力差異的原因——高孔隙率和活性生物量促進(jìn)質(zhì)量傳遞和光滲透，增強(qiáng)表層產(chǎn)氫；底層因EPS積累和擴(kuò)散限制導(dǎo)致活性下降。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

傳感器有效性：mFBG傳感器能同時(shí)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物氫濃度和溫度（氫濃度測(cè)量與Unisense微電極關(guān)聯(lián)度0.9765），適用于生物膜環(huán)境。

生物膜產(chǎn)氫分布：生物氫生產(chǎn)呈空間異質(zhì)性——表層產(chǎn)氫能力最強(qiáng)（最高濃度1.218 × 10^4 ppm at 165μm），底層最低；代謝熱分布類(lèi)似（最高溫差1.1℃）。

生物膜特性影響：產(chǎn)氫與孔隙率、活性生物量正相關(guān)；表層松散結(jié)構(gòu)和高活性支持高產(chǎn)氫，底層致密結(jié)構(gòu)和低活性抑制產(chǎn)氫。

 

應(yīng)用價(jià)值：該傳感器可推廣至化學(xué)、生物化學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域，為過(guò)程控制提供新工具。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense H?微電極（型號(hào)OX10，尖端直徑10μm）用于校準(zhǔn)mFBG傳感器的氫濃度測(cè)量，其研究意義主要體現(xiàn)在：

 

高精度校準(zhǔn)基準(zhǔn)：Unisense微電極提供100 ppb的分辨率（方法部分），作為黃金標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證mFBG數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。例如，F(xiàn)igure 3c中Unisense數(shù)據(jù)（標(biāo)“HMS”）與FBG_C2測(cè)量值高度一致（ADGI = 0.9765），確保mFBG傳感器在復(fù)雜生物膜環(huán)境中的可靠性。

獨(dú)立驗(yàn)證測(cè)量：Unisense微電極直接測(cè)量溶解氫濃度，避免潛在干擾（如溫度、生物膜覆蓋），為離線和在線數(shù)據(jù)提供獨(dú)立驗(yàn)證。這尤其重要用于區(qū)分FBG傳感器的交叉敏感性（如溫度與氫濃度）。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：Unisense系統(tǒng)的靈敏度和特異性（基于電化學(xué)原理）使其能檢測(cè)痕量氫變化，補(bǔ)充了mFBG的光學(xué)測(cè)量，提供更全面的氫動(dòng)力學(xué)視圖。

支持生物膜異質(zhì)性分析：通過(guò)比較Unisense數(shù)據(jù)與不同深度FBG數(shù)據(jù)（如FBG_A2、B2、C2），研究證實(shí)了生物膜內(nèi)氫濃度的垂直梯度（表層最高），突出了空間分辨監(jiān)測(cè)的必要性。

 

生態(tài)生理學(xué)意義：Unisense數(shù)據(jù)幫助量化產(chǎn)氫活性與生物膜厚度的關(guān)系（如最佳厚度165μm），為優(yōu)化生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)（如厚度控制、光照策略）提供關(guān)鍵參數(shù)。

 

總之，丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)是本研究的校準(zhǔn)基石，通過(guò)提供高分辨率氫濃度測(cè)量，它驗(yàn)證了mFBG傳感器的準(zhǔn)確性，揭示了生物膜產(chǎn)氫的時(shí)空動(dòng)態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)強(qiáng)調(diào)了多傳感器集成在微生物生態(tài)研究中的價(jià)值，為未來(lái)生物氫生產(chǎn)的過(guò)程優(yōu)化提供了可靠方法論。