微生物 传感器 科学家揭示微生物秘密，证明其有望提高微生物燃料电池传感器性能

科学家揭示微生物秘密，证明其有望提高微生物燃料电池传感器性能

随着人类社会的发展，环境污染已经成为一个亟待解决的问题，尤其是水污染对人类的生存和繁衍构成了巨大的威胁。

大量的污染物存在于水体中，主要包括环境、营养物质、重金属、表面活性剂、杀虫剂/除草剂、新兴污染物、病原菌等。

要管理和控制水体污染物，有效的环境监测和分析（EMA，environmental monitoring and analysis）已经成为一个先决条件。

目前的 EMA 主要依靠化学分析方法，其具有较好的稳定性和准确性。

但是，化学分析也面临一些问题，比如检测成本高、操作过程复杂、无法实现实时在线监测、以及无法反映各种有毒物质的综合影响。

而生物 EMA 可以整合各种有毒物质的相互作用，并确定有毒物质的质量浓度和生物影响之间的直接关系，为水质评价提供全面的信息。

近年来，使用酶、抗原/抗体和微生物作为敏感探针的 EMA 生物传感技术迅速发展，其具有实时在线的特点。

在现有的 EMA 生物传感技术中，微生物燃料电池（MFC，microbial fuel cell）是最有前景的一种。

MFC 通过阳极生物膜中的电活性微生物，将可生物降解有机物的化学能转化为生物电。

当有毒物质出现在阳极室中时，电活性微生物的活性将被抑制，并且可以通过监测电信号的变化来检测毒性。

基于 MFC 的毒性传感具有响应快、操作简单、成本低和自我维持的优点，可以将其用作毒性生物传感器来构建水质的在线预警系统。

但是，MFC 生物传感器仍然面临着传感灵敏度低和恢复时间长等问题。

为了优化 MFC 生物传感器的毒性传感性能，学界已经进行了许多尝试，包括改进 MFC 的结构、质子交换膜、电极材料和控制模式等。

相对而言，关于阳极生物膜中微生物群落的调控，尤其是电活性微生物的研究报道较少。

温度，是影响 MFC 阳极生物膜中微生物生长和代谢的重要因素之一，可以改变其微生物群落。

同时，温度对于底物电导率、扩散系数、电荷传递速率、活化能、微生物群落的生化活性等诸多变量都有很强的影响。

但是，目前针对温度的研究主要集中在 MFC 功率密度输出和废水处理效率方面。

MFC 启动过程中所施加的温度，会改变阳极生物膜的微生物群落结构，从而影响 MFC 传感器的性能，这是考虑 MFC 传感器应用的一个重要决定因素。

基于此，华中科技大学团队进行了相关实验，发现低温下 MFC 传感器的性能比室温下的更好。

以此为启发，课题组深入研究了低温下 MFC 传感器性能与室温下传感器性能的比较。

通过探究其原因，细化了驯化温度和操作温度对 MFC 传感的影响。

借此得出：低温驯化下 MFC 在室温下使用时，同样具备较好的性能。对于低温地区和温度较低的季节，低温下驯化的 MFC 传感器有更广泛的适用性。

日前，相关论文以《低温适应电活性微生物可能是提高微生物燃料电池传感器毒性感知性能的有效策略》（Low temperature acclimation of electroactive microorganisms may be an effective strategy to enhance the toxicity sensing performance of microbial fuel cell sensors）为题发在 Water Research[1]。

图 | 相关论文（来源：Water Research）

华中科技大学硕士生农雅芝是第一作者，华中科技大学付杰教授和刘冰川博士担任共同通讯作者。

图 | 农雅芝（来源：农雅芝）

总的来说，这项工作对于低温场景（地区和季节）下生物传感器的性能提升有较大的指示意义，同时对微生物电化学系统的发展也提供了一定的参考价值。

地球生物圈 85% 以上的地区一年中温度低于 5℃，75% 以上的地区常年寒冷。因此，开发可在低温下使用的生物传感器具有重要意义。

在低温季节或低温地区，低温驯化的 MFCs 作为生物传感器能够正常展现出优良的性能，从而可以用于毒性物质检测等方面，并能突破温度的限制。

（来源：Water Research）

总的来说，微生物传感器具有广泛的应用前景。

除了能对营养物质和有毒化合物作出反应外，微生物传感器还可以对其他细菌作出反应，从而探测到致病微生物的信号，以帮助诊断感染。

随着该领域的不断发展，微生物传感器有望成为常见的分析和检测工具，但其还有几个问题需要解决。

首先，微生物传感器不能也不应该在没有限制的情况下释放到环境中。因此，应在物理和生物化学的角度控制微生物。

此外，还需要与公众和政策制定者接触，以了解和解决围绕微生物传感器的产生和部署的问题。

理想情况下，未来的微生物传感器不仅能感知，还能作出反应。

也就是说，其不仅可以检测污染物的存在，还可以降解污染物。毕竟，这是细菌的自然行为：即它们能感知威胁并应对它。

此前，Science 曾刊登一项引人注目的研究：美国科学家通过对贝氏不动杆菌进行巧妙改造，让基因工程菌能够发掘癌症细胞的存在。

据了解，这是全球首次通过基因工程菌检测到癌细胞的实验研究。

尽管这项技术仍需进一步研究和完善，但本次团队坚信这项技术不仅可以应用于癌症检测，还能用于其他感染性疾病的诊断，借此为未来医学铺就崭新的道路。

此外，人们已经能够制备可摄入人体内的微生物传感器，其可以检测肠道中的出血或炎症生物标志物，以监测肠道健康。

而且，这些内部微生物传感器发出的信号，可以传输到手机等外部设备，以便于数据收集和分析。

基于此，未来该课题组将继续拓展微生物传感器在其他方面的应用。

参考资料：

1.Nong, Y., Xu, M., Liu, B., Li, J., He, D., Li, C., ... & Fu, J. (2024). Low temperature acclimation of electroactive microorganisms may be an effective strategy to enhance the toxicity sensing performance of microbial fuel cell sensors.Water Research, 256, 121566.

排版：希幔

微生物传感器：为地球健康“把脉问诊”

【科技创新世界潮】

◎本报记者 刘 霞

美国微生物学会指出，科学家可以对微生物做一些巧妙的事情，例如改造细菌的细胞，使其能够感知特定化合物的存在并发出特定信息，采用如此方法得到的全细胞生物传感器可在环境和医学等多个领域“大展拳脚”。

全细胞生物传感器是合成生物学的重要研究领域之一，其以微生物细胞作为敏感元件，将收集到的相关信号转化为可读信号，可广泛应用于环境污染物监测、食品安全检测以及疾病诊断等领域。

英国莱斯大学生物科学教授卡洛琳·阿乔·富兰克林博士的合成生物学实验室正在开发此类微生物传感器。她解释称，为了生存，细菌需要知道周围发生了什么。细菌身上携带很多传感器，这些传感器不仅能感知周遭环境，还会指导细菌做一些事情。科学家希望利用细菌的这些自然反应，让细菌告诉人们它们的所见所感。

尽管有无数种方法可以制造全细胞生物传感器，但基本原理大同小异：利用基因工程方法，对细菌细胞编程，使其能识别特定分子并产生可测量的信号。全细胞生物传感器通常被设计为只有当其目标分子存在时才能工作，这种调谐特异性和灵敏度的能力使微生物传感器成为有前途的分析工具。

在环境和医学领域发挥作用

在环境方面，全细胞生物传感器可以洞察土壤中的营养水平和有机化合物，为作物生长提供信息，还可以指示潜在问题化合物的存在和浓度。

例如，卡洛琳团队与莱斯大学科学家合作开发了一种可以检测硫代硫酸盐的生物传感器。硫代硫酸盐可以用作饮用水和废水的脱氯剂、杀菌剂 ,但其过量可能导致藻类大量繁殖。大多数生物传感器都依赖于报告基因的转录来产生信号，这需要长达30分钟的时间以及大量细胞能量。为优化这一过程，团队在大肠杆菌内创建了一个合成电子传输链。来自硫代硫酸盐的电子穿过这个合成链，撞击电极，在一分钟或更短时间内产生电流。

卡洛琳指出，有了这项技术，科学家有机会对环境毒素的意外释放作出快速反应，从而减轻生态影响。

除对营养物质和有毒化合物作出反应外，微生物传感器还可以对其他细菌作出反应，从而探测到致病微生物的信号，以帮助诊断感染。今年8月10日，《科学》杂志刊登了一项引人注目的研究：美国加州大学圣迭戈分校科学家通过对贝氏不动杆菌进行巧妙改造，让基因工程菌能够发掘癌症细胞的存在。据了解，这是全球首次通过基因工程菌检测到癌细胞的实验研究。

尽管这项技术仍需进一步研究和完善，但研究者坚信，这项技术不仅可以应用于癌症检测，还能用于其他感染性疾病的诊断，为医学的未来铺就了崭新的道路。

此外，科学家们还创造了可摄入人体内的微生物传感器，其可以检测肠道中的出血或炎症生物标志物，以监测肠道健康，而且这些内部微生物设备发出的信号可以传输到手机等外部设备，以便于数据收集和分析。

安全使用是关键

人们现在已经拥有用于监测土壤或诊断疾病等任务的工具和技术，为什么要使用微生物传感器呢？卡洛琳指出，当涉及到化学特异性时，微生物传感器能大放异彩。

此外，微生物传感器也可以部署在环境中，而不会对当地生态系统造成物理破坏（如改变土壤的景观）。另一个好处是，微生物传感器的制备和储存相对便宜，因此在资源匮乏传统传感器无法获得的地区，比如地球上的偏远地区或在其他星球上，它们都能够“挺身而出”。

卡洛琳表示，随着该领域的不断发展，微生物传感器有望成为常见的分析和检测工具，但其还有几个问题需要解决。

首先，微生物设备不能也不应该在没有限制的情况下释放到环境中。卡洛琳强调，应在物理上（如将微生物限制在某种胶囊或基质中）和生物化学上（如果它们以某种方式逃脱了物理约束，将不再复制或具有代谢活性）控制微生物。此外，研究人员还需要与公众和政策制定者接触，以了解和解决围绕微生物传感器的产生和部署的问题。

卡洛琳强调称，理想情况下，未来的微生物传感器不仅能感知，还能作出反应，也就是说，其不仅可以检测污染物的存在，还可以降解污染物。毕竟，这是细菌的自然行为：它们感知威胁并应对它。

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