在生物膜中，将发酵菌与外源电子生成菌分层设计可以提高对可发酵有机物的检测精度

《Bioresource Technology》：Layered design of Fermenters-Exoelectrogens in biofilm improves accuracy of fermentative organics sensing

微生物电化学传感器通过电活性生物膜（EABs）实现实时BOD监测，但传统双层结构在发酵性废水中因Geobacter代谢限制导致结果偏差。本研究发现Dysgonomonas termitidis与Geobacter在自然EABs中协同代谢，构建三层“三明治”EAB使葡萄糖废水BOD检测准确率提升28%。

　　

苏慧娟|严学军|朱雪梅|赵倩|姜新蕾|王欣

教育部污染过程与环境标准重点实验室/天津环境修复与污染控制重点实验室/南开大学环境科学与工程学院，中国天津市津南区同彦路38号，300350

摘要

基于电活性生物膜的微生物电化学传感器为实时生化需氧量（BOD）监测提供了一种有前景的方法。然而，目前标准化的EAB设计是基于醋酸盐喂养系统的研究开发的，其特点是具有双层生物膜结构，以Geobacter anodireducens作为内核，这简化了可发酵废水中的微生物代谢过程，往往导致BOD值被低估。在用生活废水培养的天然EAB中，我们发现了Geobacter与发酵微生物之间的特定、选择性的代谢合作，其中不同的发酵菌群倾向于与电活性或产甲烷菌类伙伴结合。使用葡萄糖喂养的EAB，我们在内层鉴定出Dysgonomonas termitidis作为与Geobacter具有强协同作用的代表性发酵伙伴。基于此，构建了一种分层的“三明治式”EAB（S-EAB），依次包含G. anodireducens、预富集的D. termitidis和自适应的环境微生物。加入这一中间功能层后，葡萄糖的BOD传感精度提高了28%，结果与理论值非常接近。本研究表明，在中间生物膜层中整合一个选择性的发酵伙伴是设计适用于可发酵废水的高性能EAB的实际策略。

引言

快速的城市化进程推动了数字水管理的发展，对快速、灵敏和稳定的生化需氧量（BOD）在线监测的需求日益增长，以应对日益严重的水污染问题（Jiang等人，2018年；Logan和Rabaey，2012年）。在这种背景下，微生物电化学传感器作为一种有前景的替代方案应运而生，它们利用天然电活性生物膜（EAB）作为核心传感元件。这些系统可以将电活性微生物的代谢活动转换为电流信号，用于定量、实时的BOD测定（Han等人，2025年；Yan等人，2025年）。与传统BOD₅方法相比，微生物电化学BOD传感器操作简便，能够实现连续在线监测，非常适合水质评估（Chiranjeevi和Patil，2020年；Du等人，2018年）。

在生活废水中，可发酵有机物（如碳水化合物）占有机负荷的主要部分，并对总体BOD有显著贡献（Komatsu等人，2020年）。这些化合物容易被异养微生物利用，并通过发酵转化为一系列中间代谢物，从而影响废水系统中的氧需求特性。以往关于微生物电化学BOD传感器的研究主要集中在从可发酵底物代谢物（特别是醋酸盐）培养的EAB上。在这种条件下，通常观察到明显的空间异质性：核心电活性微生物Geobacter anodireducens（SD-1）主要富集在靠近电极的内层，而非产电微生物则占据外层（Tian等人，2022年；Yan等人，2021年）。基于这种空间组织，我们人工设计了一种双层EAB（d-EAB）结构，由SD-1构成的产电内核和由自组装的自然微生物群落形成的外层组成（Su等人，2023年）。该设计在挥发性脂肪酸基合成废水的BOD测量中表现出稳定且可重复的传感响应，为EAB的标准化构建提供了可控的结构框架（Su等人，2023年；Yan等人，2024年）。然而，当应用于以可发酵底物为主的废水时，d-EAB系统的BOD精度不令人满意，测量值系统性地低于理论预测。这种差异可能是由于Geobacter直接代谢可发酵底物的能力有限，其产电活性主要依赖于发酵产生的中间产物（如醋酸盐）（Heidrich等人，2014年；Satinover等人，2020年）。可发酵底物的存在引入了额外的代谢途径，使得EAB内的空间组织和微生物相互作用更加复杂，必须了解这些机制才能优化生物膜设计，以实现可发酵废水中的准确BOD监测（Fessler等人，2022年；Zhang等人，2024年）。

在本研究中，系统地研究了用实际废水和葡萄糖（作为代表性的可发酵有机化合物）培养的EAB的空间群落结构。通过阐明生物膜内的微生物相互作用，我们鉴定出一种与Geobacter具有协同作用的功能性细菌，并将其作为中间层纳入，从而构建了“三明治式”EAB配置。随后使用典型的可发酵底物样本评估了该生物膜的BOD传感性能。总体而言，这项工作为开发适用于可发酵废水系统的标准化、高性能微生物电化学BOD传感器建立了一条可行的技术途径。

章节片段

天然EAB的培养与分层

天然EAB是在经过改造的厌氧试剂瓶（50 mL）制成的单室双电极微生物电解池（MECs）中培养的，这些电解池配备了石墨片状阳极（长度3 mm，直径1.5 cm）和不锈钢网状阴极（直径1.5 cm，304N型，60目）。系统通过离心（7000 rpm，5分钟）收集的废水微生物进行接种，并喂食来自津南区污水处理厂的实际生活废水。

废水喂养的EAB中的微生物群落与可发酵有机物的代谢相关

EAB在持续喂食生活废水的条件下进行培养。三天内，生物膜产生的电流密度为0.15 ± 0.03 A/m²（图S1），经过两个月多的培养后，电流密度进一步增加至0.35 ± 0.02 A/m²。最终生物膜厚度约为90 μm（图S2），冷冻切片将生物膜分为三个均匀的层以便进行详细的群落分析。测序深度足够，这一点从逐渐稳定的结果可以看出。

结论

在本研究中，我们使用葡萄糖作为代表性的可发酵底物，研究了EAB内微生物群落组成和功能分布的空间异质性。我们的发现扩展了人们对生物膜生态学的传统理解，超出了基于醋酸盐喂养系统的范围。从葡萄糖喂养的EAB中，我们分离出了D. termitidis这种发酵细菌，它与Geobacter具有强制性的协同潜力，并将其作为预富集的中间层纳入构建中。

CRediT作者贡献声明

苏慧娟：撰写——初稿、软件、方法论、概念化。严学军：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。朱雪梅：软件、方法论。赵倩：软件、方法论。姜新蕾：可视化、方法论。王欣：撰写——审阅与编辑、监督、研究、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52270042和52500054）的财政支持。