劉曉曉，趙明杰，王紫璇，栗勇田，葉 菲,*

(1.秦皇島天大環(huán)保研究院有限公司，河北秦皇島 066000；2.河北省河道水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)重點實驗室，河北秦皇島 066000；3.燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島 066000)

水質(zhì)毒物監(jiān)測是了解水體污染現(xiàn)狀的重要手段。傳統(tǒng)的水質(zhì)毒物監(jiān)測工作大多依托離線的物化分析技術(shù)展開，雖然可以精確測試水體中毒性物質(zhì)的總濃度，但該類方法需要復(fù)雜的儀器設(shè)備作為支撐，且樣品前處理過程步驟繁瑣、對操作人員專業(yè)性要求較高，更重要的是檢測結(jié)果明顯延遲,并不能及時地反應(yīng)毒物對人類健康及水環(huán)境安全的真實影響[1]。因此，開發(fā)出能滿足水質(zhì)在線預(yù)警需求、受沖擊后能實時響應(yīng)的傳感系統(tǒng)尤為重要。近年來，基于微生物傳感技術(shù)的毒物監(jiān)測方法是根據(jù)微生物受到毒物刺激時，其新陳代謝或生長速度發(fā)生變化而實現(xiàn)對水體污染的實時預(yù)警[2-4]。但是由于缺乏轉(zhuǎn)換器，這類生物傳感器并不能將生物信號轉(zhuǎn)化為電信號，進而缺乏定量監(jiān)測毒物具體濃度的能力?；谏鲜龇治?，滿足水質(zhì)毒物在線監(jiān)測要求的新型傳感器應(yīng)該兼具實時和定量監(jiān)測的特點。

微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)傳感器可在厭氧條件下利用小分子的羧酸、醇等有機物作為底物[5]，為陽極微生物提供碳源，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，進而通過觀察引入毒物后電壓、電流以及輸出功率等電信號的抑制情況直觀反映水質(zhì)狀況，具有無需外部供能、額外添加信號轉(zhuǎn)換器、操作簡單、易于攜帶等特點，在實時定量毒物監(jiān)測方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[6-9]。自MFC傳感器問世以來，相關(guān)研究人員圍繞該技術(shù)在重金屬和抗生素等污染水體監(jiān)測方面開展了大量研究工作，盡管取得了一定的研究進展，但MFC傳感器在監(jiān)測過程中普遍存在的靈敏度低、響應(yīng)時間長、檢出限高以及線性范圍窄等問題并沒有從根本上得到改善[10-11]。因此，深入挖掘影響MFC傳感器性能指標的潛在因素，并提出合理的解決方案以進一步優(yōu)化MFC傳感檢測性能尤為重要。

基于上述分析，本文從MFC電化學(xué)傳感技術(shù)的基本原理入手，綜述了MFC傳感器在重金屬及抗生素等典型毒物監(jiān)測領(lǐng)域的研究進展，重點解析了調(diào)整反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、優(yōu)化運行模式、改變布水方式及縮短水力停留時間等策略對提升MFC傳感器靈敏度、縮短響應(yīng)時間、降低檢出限等方面的積極影響，旨在獲得提升MFC傳感器性能參數(shù)的有效方法，從而為推動MFC傳感技術(shù)的發(fā)展及其在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的推廣提供理論依據(jù)。

1 MFC傳感器的工作原理、運行模式及影響因素

1.1 MFC傳感器工作原理

MFC傳感器是基于微生物電化學(xué)技術(shù)發(fā)展起來的一種便捷的傳感檢測裝置，通常由生物陽極、非生物陰極、外電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個部分構(gòu)成(圖1)。當MFC傳感器正常運行時，附著在生物陽極表面的厭氧產(chǎn)電菌可通過催化氧化過程將有機物分解產(chǎn)生電子，進而將生成的電子傳遞到陽極并經(jīng)外電路遷移到非生物陰極與O2、鐵氰化鉀、六價鐵酸鹽等電子受體發(fā)生還原反應(yīng)，并產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化[12]。而當MFC傳感器暴露于毒性目標物時，由于陽極微生物的活性受到抑制，會直接損害整個裝置的產(chǎn)電性能。利用這一性質(zhì)，將電活性微生物作傳感元，通過在目標毒物的濃度與MFC傳感器的電信號如電壓、電流、電功率等變化(ΔU、ΔI、ΔP)以及抑制率(IR)間建立線性關(guān)系，以此來表征傳感元與目標物之間的識別過程，即可達到實時定量監(jiān)測預(yù)警的目的[13-15]?；谏鲜雒枋隹芍?，不同于MFC在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，MFC傳感器更關(guān)注的是燃料電池在不同條件下輸出電信號的變化量，而不是一味地追求高的輸出功率。這也在一定程度上彌補了由于輸出功率不足制約MFC技術(shù)在實際應(yīng)用中的進一步發(fā)展，使得MFC技術(shù)在傳感檢測領(lǐng)域表現(xiàn)出更大的應(yīng)用前景。

圖1 MFC傳感檢測裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of MFC Sensor Detection Device

1.2 MFC傳感器的構(gòu)型及運行模式

1.2.1 MFC傳感器構(gòu)型

圖2 (a)雙室MFC傳感器示意圖[16]，(b)單室MFC傳感器示意圖[17]，(c)帶有膜電極組的單室MFC傳感器示意圖[18]Fig.2 (a) Two-Compartment MFC Sensor[16], (b) Single-Compartment MFC Sensor[17], (c) Single-Compartment MFC Sensor with Membrane Electrode Group[18]

1.2.2 MFC傳感器運行模式

按照運行模式的差異，可將用于毒物監(jiān)測的MFC傳感器劃分為恒定外阻(constant external resistance，CER)[21]和恒定陽極電勢(constant anode potential，CAP)[22]2種運行模式(圖3)。在CER模式下，首先需借助極化曲線測出裝置的內(nèi)阻，然后參考內(nèi)阻阻值在其附近選取外阻值，使MFC傳感器的輸出功率最高、性能最優(yōu)，最后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測外阻兩端電壓(或通過歐姆定律轉(zhuǎn)化為電流)的變化實現(xiàn)對毒物的監(jiān)測。該模式的優(yōu)勢在于操作簡單、運行成本低(避免了恒電位儀和參比電極的使用)；不足之處在于陽極電勢不恒定、傳感器的信號穩(wěn)定性差，當毒物進入陽極抑制微生物活性打破原有平衡后，該模式會通過增加陽極電勢的形式抵消這種變化，進而影響傳感器對毒物的靈敏度[23]。CAP模式是借助電化學(xué)工作站在三電極模式下向陽極表面施加適合厭氧產(chǎn)電菌生長的恒定電勢，同時記錄電流信號的變化實現(xiàn)傳感監(jiān)測。與CER模式相比，CAP模式提升了傳感器的靈敏度及穩(wěn)定性[22-24]。然而，工作站和參比電極的引入在一定程度上制約了MFC傳感器的小型化應(yīng)用。此外，在陽極表面施加恒電位后，電化學(xué)過程在傳感檢測過程中發(fā)揮的作用不容忽視，并且加電模式也在一定程度上掩蓋了MFC傳感器無需外加電源便可輸出電信號這一固有優(yōu)勢。

圖3 (a)恒定外阻(CER)的MFC傳感器示意圖[21], (b)恒定陽極電勢(CAP)運行模式的MFC傳感器示意圖[22]Fig.3 (a) MFC Sensor Schematic of Constant External Resistance (CER)[21], (b)MFC Sensor Schematic of Constant Anode Potential (CAP)[22]

1.3 影響MFC傳感器電信號的環(huán)境因素

根據(jù)MFC傳感器的工作原理可知，在水體毒物監(jiān)測過程中，陽極厭氧產(chǎn)電菌活性的高低是決定其傳感監(jiān)測性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。因此，影響厭氧微生物代謝活性的環(huán)境因素，如DO、微量元素、環(huán)境溫度以及溶液pH等都會影響最終MFC傳感器的性能[25-26]。

在MFC傳感器中，發(fā)揮產(chǎn)電作用的微生物大多是厭氧或兼性厭氧菌，因此，DO的存在會對厭氧產(chǎn)電菌的活性造成不同程度的抑制，進而對MFC傳感器的性能產(chǎn)生不利影響。Yang等[27]考察了陽極基質(zhì)液曝氮氣處理對MFC傳感器電信號恢復(fù)速度的影響，發(fā)現(xiàn)曝氮氣去除DO后，MFC傳感器電信號恢復(fù)周期明顯縮短，充分說明在MFC傳感器運行過程中去除DO的必要性。另一方面，某些金屬元素，如鈣和鐵等是微生物生長所必需的微量元素，可分別作為蛋白酶的激活劑促進細胞膜的形成以及作為細胞色素和新陳代謝的載體在電子傳遞過程中發(fā)揮重要作用[28-30]。因此，在配置陽極基質(zhì)液時，往往需要添加適當比例的多種微量元素，以保證微生物營養(yǎng)均衡。此外，環(huán)境溫度和溶液pH也是影響微生物活性的重要因素，研究表明，溫度主要影響微生物的活性，進而影響生物膜的形成速率及裝置的輸出功率[31]。厭氧產(chǎn)電菌的最適生長溫度在35～38 ℃，因此，MFC傳感器適用的環(huán)境溫度也大多控制在35～38 ℃。而關(guān)于微生物生長最適pH的研究，不同體系得出的結(jié)論也略有差異。例如，He等[32]研究表明，在偏堿性條件下(pH值=8～10)，厭氧微生物產(chǎn)電性能更佳；而Mohan等[33]和Jadhav等[34]研究卻發(fā)現(xiàn)適當降低溶液pH會降低MFC傳感器的內(nèi)阻，從而提高其產(chǎn)電性能。因此，在構(gòu)建MFC傳感器時，需根據(jù)所接種的微生物菌種的差異，近中性范圍內(nèi)篩選出最適的pH條件，以保證MFC在最優(yōu)外界環(huán)境下運行。

2 MFC傳感器的性能評價指標及優(yōu)化策略

當MFC傳感器應(yīng)用于水體毒物監(jiān)測時，靈敏度和穩(wěn)定性往往是反映其監(jiān)測性能的重要指標。靈敏度低和穩(wěn)定性差是阻礙其實際應(yīng)用的重要瓶頸[35]。靈敏度主要通過響應(yīng)時間、檢出限等參數(shù)反映。響應(yīng)時間越短、檢出限越低，說明MFC傳感器對毒物越靈敏；而穩(wěn)定性則通過恢復(fù)速率以及信號重現(xiàn)性等參數(shù)體現(xiàn)，MFC傳感器受毒物沖擊后，恢復(fù)時間越短、信號重現(xiàn)性越好，說明其穩(wěn)定性越強，越能滿足長時間運行的要求。為了提升MFC傳感器的相關(guān)性能，需了解各指標的內(nèi)涵及其關(guān)鍵影響因素，從而有針對性地制定優(yōu)化策略。

(1)響應(yīng)時間

MFC傳感器受到毒物沖擊后，最直觀的響應(yīng)表現(xiàn)在電信號受抑制上。因此，相關(guān)研究人員常將從毒物進入傳感器開始到其電信號達到或接近最低點所經(jīng)歷的時間定義為響應(yīng)時間。盡管不同傳感器在裝置結(jié)構(gòu)、運行模式、毒物濃度以及陽極微生物狀態(tài)等方面均存在差異，相關(guān)文獻中報道的各傳感器應(yīng)用于毒物監(jiān)測時的響應(yīng)時間也各不相同，具體表現(xiàn)在變化從幾分鐘至數(shù)個小時不等[35-37]。但對于縮短傳感器響應(yīng)時間、提升其監(jiān)測靈敏度的調(diào)控方法，仍有規(guī)律可循。

在MFC傳感器中，陽極厭氧產(chǎn)電菌的活性是決定其響應(yīng)時間的關(guān)鍵因素。單位時間內(nèi)，微生物接觸到毒物的濃度越高，其信號被抑制并達到穩(wěn)定的時間越短。因此，縮小反應(yīng)器的體積和加快水流速度都是縮短響應(yīng)時間的有效方法。然而，上述2種方法在縮短響應(yīng)時間的機理方面存在明顯差異，前者是通過增加毒物在陽極微生物附近的暴露濃度使其活性受抑制；而后者是加快毒物到生物陽極的傳質(zhì)效率縮短微生物對毒物的響應(yīng)時間。相應(yīng)地，Moon等[38]將MFC傳感器陽極室的體積從25 mL縮小到5 mL后，發(fā)現(xiàn)傳感器對毒物的響應(yīng)時間明顯縮短(從36 min左右縮短至5 min左右)；Di等[39]研究也得到了類似的結(jié)論，當MFC傳感器陽極室的體積減至原體積的1/4時，其響應(yīng)時間與原來相比減少了80%。而在另一項研究中，Ayyaru等[40]通過提升進水流速(從0.26 mL/min升至0.73 mL/min)，也達到了縮短響應(yīng)時間的目的(從240 min降至79 min)。此外，優(yōu)化外電路連接情況也是縮短響應(yīng)時間的有效辦法，該方法可通過控制電路中電子傳遞速度實現(xiàn)對陽極微生物活性的調(diào)節(jié)，進而影響傳感器的響應(yīng)時間。例如，適當縮小CER模式下外接電阻阻值是實現(xiàn)這一目標的簡單途徑，然而，當MFC傳感器的外阻過小時，難以保證信號的穩(wěn)定性。

(2)檢出限

當MFC傳感器應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測時，其對毒性物質(zhì)的檢出限應(yīng)該盡可能低，以保證水體中這些毒物濃度一旦超標，MFC傳感器能夠及時做出響應(yīng)。然而，目前大多數(shù)MFC傳感器的檢出限達不到世界衛(wèi)生組織飲用水水質(zhì)標準中對毒性物質(zhì)的濃度限值要求，差距從幾倍至幾個數(shù)量級不等。因此，了解制約其檢出限的因素并尋求合理的解決方案尤為必要。

研究表明，與浮游狀態(tài)的微生物相比，當這些微生物附著在陽極表面并形成生物膜后，這些微生物對毒性物質(zhì)的敏感性要降低10～600倍[41]。分析原因可知，生物膜狀態(tài)的細胞周圍會形成大量的胞外聚合物，而正是這部分胞外聚合物的屏障作用，阻礙了毒物從水體到微生物細胞的傳質(zhì)過程，導(dǎo)致MFC傳感器的檢出限普遍偏高。基于上述分析，優(yōu)化陽極表面生物膜的結(jié)構(gòu)無疑是促進毒物與微生物細胞接觸，從而降低MFC傳感器檢出限的重要途徑。為了實現(xiàn)上述目標，相關(guān)研究人員主要從電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化和布水方式調(diào)控2個方面開展研究，并取得了一定的研究成果。例如，Xu等[42]利用水流的沖刷剪切作用，在陽極表面控制生長出一層孔隙率高、胞外聚合物少、密度低的生物膜，明顯提升了生物陽極對低濃度Cu2+的響應(yīng)能力；蔣永[22]通過優(yōu)化流態(tài)分布，構(gòu)建了水流垂直穿透式生物陽極。與常規(guī)的水流從電極表面平行流過(側(cè)流式生物陽極)相比，垂直穿透式陽極的流態(tài)分布更加均勻、毒物在生物膜內(nèi)部的傳質(zhì)效率更快，使得該傳感器對2 mg/L的Cu2+的響應(yīng)信號明顯增強(ΔI從0.02～0.06 mA提升至0.76～1.55 mA)，靈敏度提高了15～41倍。

(3)恢復(fù)性能及重現(xiàn)性

MFC傳感器性能穩(wěn)定是確保其長時間原位在線運行的前提。微生物活性易受環(huán)境因素影響，導(dǎo)致以之為傳感元的MFC傳感器性能上存在極大隱患。因此，在受到毒物沖擊后傳感器的信號能否恢復(fù)至原始狀態(tài)以及對相同濃度毒物沖擊后能否得到接近的信號抑制率是使用過程中關(guān)注的重要指標。

在實際應(yīng)用中，當生物陽極受到毒物沖擊并超過一定限度時，會對其性能造成不可逆的損傷。相關(guān)研究人員常用MFC傳感器受毒物沖擊并經(jīng)恢復(fù)階段后，新輸出的電信號與毒物沖擊前所輸出的電信號的比值——恢復(fù)率，來反映其恢復(fù)性能，而恢復(fù)性能的好壞也在一定程度上決定了其基態(tài)信號能否重現(xiàn)。此外，關(guān)于傳感器輸出電信號重現(xiàn)性的研究更多的關(guān)注點還是集中在受到毒物沖擊后，其輸出電信號受抑制情況是否與之前批次相同。由此可見，研究MFC傳感器信號重現(xiàn)性需要有良好的恢復(fù)性作保障，而其恢復(fù)性能又與微生物活性密切相關(guān)。多種影響微生物活性的因素，如毒物毒性、濃度、暴露時間以及微生物自身對毒物毒性的抵抗能力等，都會對其造成影響。理論上，毒物的毒性越大、濃度越高、陽極微生物暴露在毒物介質(zhì)的時間越長，毒物對微生物的損傷越大，導(dǎo)致MFC傳感器越不容易恢復(fù)到原始狀態(tài)。Lee等[43]研究發(fā)現(xiàn)，同樣是甲醛作目標毒物，0.001%的甲醛不會對MFC傳感器的恢復(fù)性能造成影響，而當甲醛質(zhì)量分數(shù)達到0.1%時，該傳感器的恢復(fù)率僅有85%；Li等[44]發(fā)現(xiàn)以硫還原地桿菌(Geobactersulfurreducens)為陽極微生物構(gòu)建的MFC傳感器在甲醛剛從反應(yīng)器沖走時信號恢復(fù)率僅為60%，延長恢復(fù)時間至36 h信號才能完全恢復(fù)。說明微生物在受到毒物沖擊后具有一定的自我修復(fù)能力，但需要保證有足夠的調(diào)整時間。而一項研究提供了一條通過優(yōu)化MFC傳感器運行模式來提升其恢復(fù)性能的有效途徑，研究指出與CAP模式相比，CER模式為陽極微生物提供了靈活可變的電勢條件，使其能夠通過充分調(diào)動自身代謝活動來提升修復(fù)效率[24,45]?；诖?，相關(guān)研究人員通過利用數(shù)學(xué)模型模擬信號變化趨勢、引入多組平行備用反應(yīng)器替代中毒裝置以及優(yōu)化運行模式等多種手段，減少MFC傳感器在毒物中的暴露時間，保證其具有較好的信號穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，以滿足連續(xù)在線監(jiān)測需求。

3 MFC傳感器的發(fā)展趨勢

MFC傳感器作為一種新型的水質(zhì)監(jiān)測工具，因具有直接利用水中有機物產(chǎn)電，并通過電信號的增減情況判斷水體受污染程度的性質(zhì)，在環(huán)境工程及傳感監(jiān)測等相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，MFC傳感器在DO和BOD5監(jiān)測方面已取得一定進展，如韓國Korbi公司開發(fā)的HABS-2000在線BOD分析儀以及Lovley等[46]研發(fā)的地下微生物活性實時監(jiān)測技術(shù)(subsurface microbial activity in real time，SMART)實現(xiàn)了MFC傳感技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。而當MFC應(yīng)用于毒物監(jiān)測時，由于MFC傳感器在靈敏度、穩(wěn)定性、構(gòu)型及成本等方面存在較大的局限性，使得這方面的研究大多仍停留在實驗室階段?？朔鲜霾蛔闶荕FC毒物傳感器發(fā)展的必然趨勢，也是相關(guān)研究人員努力的方向。

為滿足水質(zhì)毒物在線監(jiān)測需求，未來MFC傳感器應(yīng)具備以下特征。

(1)原位監(jiān)測。為了實時監(jiān)測水質(zhì)狀況，未來MFC傳感器需具備原位監(jiān)測能力。不同于實驗室模擬廢水所提供的理想條件，自然水體水質(zhì)復(fù)雜程度更高，有機物、DO以及水溫等往往達不到厭氧產(chǎn)電菌的最適工作條件，因此，需配備完善的補給保障設(shè)施以及自動化采樣、混合、進樣設(shè)備以實現(xiàn)原位在線運行。

(2)快速檢測，性能穩(wěn)定。高靈敏性和穩(wěn)定性是保障MFC傳感器在線運行的基礎(chǔ)，而微生物活性以及傳感器的構(gòu)型是影響上述性能的重要因素。篩選耐受性強、活性高的特異性菌種是未來MFC毒物傳感器領(lǐng)域要攻克的重要難關(guān)；而小型化和多組平行的反應(yīng)器構(gòu)型，因具有縮短響應(yīng)時間、保障微生物中毒后及時恢復(fù)以及連續(xù)穩(wěn)定運行等優(yōu)勢，也是未來MFC毒物傳感器發(fā)展的必然趨勢。此外，得益于納米技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)生物兼容性高、導(dǎo)電性好的納米材料改善生物陽極性能、同時提升陰極反應(yīng)效率也是進一步提升MFC傳感器性能的重要手段。

(3)智能化與模型化。MFC毒物傳感器主要通過電信號抑制程度反映水體污染情況，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，需要借助其在毒物毒性與MFC電信號抑制率間建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以便實現(xiàn)準確預(yù)警。

(4)成本低廉。為了推動MFC傳感器的商業(yè)化，降低成本是必然趨勢。而質(zhì)子交換膜和電極材料占據(jù)了MFC傳感器的主要開銷，開發(fā)廉價高效且耐用的交換膜及電極材料，推動空氣陰極和生物陰極的應(yīng)用是未來研究的重要方向。