《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Engineered Carbon–Biofilm Interfaces Enable a High-Stability Single-Strain Bioanode for Real-Time BOD Monitoring in Complex Wastewaters
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BOD传感器实时检测需解决稳定性与灵敏度问题，本研究通过工程化碳-生物膜界面，利用枯草芽孢杆菌构建高稳定单菌株生物阳极，优化电极微结构（如三维多孔碳 felt）与菌种生理特性（如孢子疏水性和EPS分泌能力）的协同匹配，显著提升BOD传感器灵敏度（0.0059 mA/m2·(mg/L)）、稳定性（信号漂移<10%持续14天）和盐度耐受性（最高8%），为复杂废水实时监测提供新策略。
张英坤|子豪|徐乐天|杨少杰|陈毅|孙成伟|宋英才|冯青|张新健
齐鲁工业大学（山东科学院）环境科学与工程学院，中国济南250353
摘要
可靠、快速且可现场部署的生化需氧量（BOD）传感技术仍然是实时水质监测面临的紧迫挑战。本研究通过工程化的碳-生物膜界面构建了一种高度稳定的单菌株生物阳极，将枯草芽孢杆菌孢子与优化的碳微结构结合，用于实时BOD生物传感器。系统研究了电极微结构对生物膜形成、电荷转移和传感器性能的影响。比较了四种类型的碳阳极——毡状、布状、刷状和棒状——发现毡状碳阳极支持最大的生物膜生物量（6.7 mg/cm2），表现出最高的剂量-响应灵敏度（0.0059 mA/m2·(mg/L)），并在14天内表现出高操作稳定性（信号漂移<10%）。电化学阻抗谱和循环伏安法表明毡状电极具有较低的电荷转移电阻和明显的氧化还原特性，而扫描电子显微镜（SEM）显示毡状碳的3D孔隙中存在密集的细胞外聚合物网络，共同促进了高效的直接电子转移（DET）和快速、线性的电流响应（R2 > 0.9700），适用于测试的BOD范围。该单菌株生物阳极在4%盐度下仍保持≥67%的活性，并在耐久性测试中可输出可测量的信号，显示出对变化水环境的适应性。本研究通过精确匹配产电菌株和微结构碳材料，开发了一种稳健的单菌株生物传感器工程途径。其创新之处在于将碳电极微结构与枯草芽孢杆菌的生理特性相结合，形成了更可预测、可重复的生物传感器构建框架，为复杂废水的现场连续BOD监测提供了可靠的解决方案，并提高了生物电化学传感器的重复性和长期稳定性。
引言
随着工业化和城市化的加速，水环境中的有机污染问题日益严重，对生态安全和人类健康构成了严重威胁。生化需氧量（BOD）是量化水有机污染负荷和反映有机物生物降解性的关键指标，在废水处理和环境监测中起着核心作用[1]。传统的5天生化需氧量（BOD5）检测方法耗时较长，无法满足现代水质监测的实时需求。因此，开发高效、灵敏且稳定的快速BOD检测技术已成为关键研究方向[2][3]。
近年来，基于微生物燃料电池（MFC）的BOD生物传感器受到了全球研究人员的广泛关注。这些生物传感器可以直接将有机物降解过程中释放的生化能量转化为电能[4][5]，从而实现“双重功能”——污染物检测和能量回收[6][7]。这赋予了它们快速响应、高自动化和易于在线监测等优点。现有研究表明，BOD生物传感器在实际废水检测中具有广阔的应用前景[8]。
然而，生物传感器的性能受多种因素影响，其中阳极生物膜的组成和结构、电极材料的微结构及其与微生物的界面相互作用尤为重要[9]。当混合微生物群落形成阳极生物膜时，会面临组成复杂和稳定性差的挑战。相比之下，单菌株电活性微生物（如枯草芽孢杆菌）具有明显优势，是构建高性能生物阳极的理想候选者[10][11]。大多数现有的单菌株生物传感器基于大肠杆菌和假单胞菌等模式菌株构建，在复杂环境中应用时，存在耐盐性差和稳定性不足的问题[12]。目前尚未有针对材料与菌株在电极微结构和菌株代谢或电活性特性方面的协同匹配的具体研究，且大多数传感器仅在标准BOD溶液或普通生活污水中进行了测试，因此其检测稳定性仍有提升空间。关于枯草芽孢杆菌的现有研究主要集中在致病性检测、环境修复和代谢特性方面。值得注意的是，与枯草芽孢杆菌具有100% 16S rDNA序列同源性的枯草芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌已被证实具有导电性[13]。枯草芽孢杆菌与枯草芽孢杆菌一样，既具有复杂的底物降解能力，又能从废水中的混合有机物中发电[14]。
除了微生物因素外，不同的碳基材料（如碳毡、碳刷、碳布和碳棒）由于其独特的结构特性，在微生物附着、电子转移途径和界面反应方面存在显著差异[15][16]。现有研究大多关注这些材料的电导率和宏观性质，但关于材料微结构与单菌株生物阳极之间的协同机制及其对生物传感器长期稳定性和耐盐性的影响的系统研究仍然较少[17]。此外，工业废水和某些特定水体通常具有较高的盐度，这会显著影响微生物活性和电极界面过程[18]。
本研究的新颖之处不仅在于使用了单菌株生物膜，还在于通过系统匹配定制的电极微结构（如碳毡的三维多孔结构）和枯草芽孢杆菌的生理特性（如孢子疏水性和EPS分泌能力），合理设计了碳-生物膜界面，从而促进了高效的直接电子转移（DET）。这种目标导向的功能驱动设计方法，最终形成了提出的协同模型（第3.5.3节），与基于经验筛选材料的方法相比，为生物传感器构建提供了更可预测和可重复的框架。
电极制备和反应器配置
空气阴极采用50目不锈钢网（SSM）作为电流收集器，多壁碳纳米管（CNT）作为气体扩散层的基底材料[19]。
四种类型的碳基阳极（碳毡、碳刷、碳布、碳棒）被制成直径1.3 cm、高度3 cm的均匀圆柱体，先浸泡在1 mol/L氢氧化钠溶液中20分钟，然后用纯水冲洗，再浸泡在0.1 mol/L盐酸溶液中20分钟。
优势细菌属的筛选和定量分析
高通量测序用于表征阳极生物膜的微生物群落组成，结果如图2a-c所示。在门水平上，芽孢杆菌门（Bacillota）占整个群落的99.9%以上；在属水平上，枯草芽孢杆菌属（Bacillus）占主导地位，相对丰度为99.97%（图2a, b）。这与先前的研究结果一致，表明枯草芽孢杆菌属菌株可以在生物传感器中产生电信号。
结论
本研究通过工程化碳-生物膜界面，在分层碳毡上构建了稳定的单菌株（枯草芽孢杆菌）生物阳极，提高了BOD传感器的灵敏度、稳定性和适应性。系统比较四种碳材料的几何形状后发现，碳毡的三维多孔网络促进了密集的生物膜积累（6.7 mg/cm2），降低了有效界面阻抗，并支持了扩展的EPS介导的电子转移。
CRediT作者贡献声明
张英坤：撰写——审稿与编辑、方法学研究、资金获取、数据管理。子豪：撰写——初稿撰写、数据可视化、项目管理、方法学研究、数据分析。徐乐天：指导、软件支持、资源协调、数据分析、概念构思。冯青：撰写——初稿撰写、数据验证、指导、资源协调、项目管理、方法学研究。张新健：数据可视化、数据验证、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金[21908118]、山东省高等教育“青年创新团队计划”[2023K139]以及2024年科学、教育与产业融合试点项目[2024ZDZX10]的支持。
