生物地球電池是一種微生物驅(qū)動的胞外電子“長距離”傳遞所形成的自然現(xiàn)象。文章以乙酸鈉作為外加碳源，探究乙酸消耗與生物地球電池形成的相互關(guān)系。


生物地球電池是一種發(fā)生在地球表層氧化/還原界面的自然現(xiàn)象，是微生物在厭氧區(qū)域氧化有機(jī)碳、硫化物等電子供體，產(chǎn)生的電子經(jīng)胞外介體，通過“長距離”傳輸至好氧區(qū)，從而與空間上隔離的氧氣等電子受體發(fā)生還原反應(yīng)的過程。由于生物電流的偶聯(lián)，使得過去認(rèn)為因空間隔離而難以發(fā)生的氧化/還原反應(yīng)，可以快速、及時的進(jìn)行。其科學(xué)本質(zhì)是通過微生物驅(qū)動電子流動，偶聯(lián)空間上隔離的生物地球化學(xué)過程"。

生物地球電池最初由Ntarlagiannis于2007年，基于納米導(dǎo)線介導(dǎo)的微生物胞外呼吸特性而提出。2010年，Nielsen等利用微電極技術(shù)結(jié)合質(zhì)子平衡計(jì)算證實(shí)：海底沉積物中硫化氫氧化反應(yīng)與海水表面的溶解氧可發(fā)生空間隔離的氧化還原反應(yīng)，即底泥中的微生物氧化硫化氫，同時將電子傳遞給上層溶液中的，其轉(zhuǎn)移途徑為：硫化氫→微生物→納米導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)→氧氣。

2012年，Pfeffer等在海底沉積物的培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)長絲狀微生物(Desulfobulbaceae）；同時證實(shí)Desulfobulbaceae可驅(qū)動天然電流的形成；它們從海泥界面延伸至沉積物的深層厭氧區(qū)，一端伸長到厭氧區(qū)并氧化硫化物，產(chǎn)生的電子通過菌體傳輸給海水中的溶解氧。緊接著，Malkin等以不同來源的沉積物（海岸鹽沼濕地、季節(jié)性缺氧盆地、沿海平原潮泥)為研究對象，研究發(fā)現(xiàn)以上幾種來源的沉積物中，均能發(fā)現(xiàn)Desulfobulbaceae的存在。這些結(jié)果表明生物地球電池是自然環(huán)境中普遍存在的。

生物地球電池的提出，改變了人們對自然界氧化還原反應(yīng)的傳統(tǒng)認(rèn)識，為理解空間隔離的生物地球化學(xué)過程提供了新的視角。生物地球電池解釋了“長距離”（cm尺度)的電子供體/受體間發(fā)生氧化還原反應(yīng)的現(xiàn)象，偶聯(lián)了空間隔離的硫化物氧化反應(yīng)與氧氣、硝酸鹽的還原反應(yīng)等。基于生物地球電池的“長距離”電子傳遞效應(yīng)在環(huán)境污染物降解、物質(zhì)循環(huán)方面起到了重要的作用，是目前的研究熱點(diǎn)。

目前針對生物地球電池效應(yīng)的研究，其電子供體的來源主要是硫化物，最終產(chǎn)物是硫化氫。而有機(jī)碳與生物地球電池效應(yīng)關(guān)系的研究，鮮見報(bào)道。究其原因是：具有可實(shí)時監(jiān)測硫化氫變化的微電極，而尚未具有有機(jī)碳檢測的微電極。


實(shí)際上，有機(jī)碳是被大多數(shù)微生物利用的主要碳源。理論上，有機(jī)碳也可作為電子供體來源，從而形成生物地球電池效應(yīng)。在人為作用下，通過微生物燃料電池（microbialfuelcell，MFC)裝置，可構(gòu)建人工的生物地球電池效應(yīng)。在MFC的陽極室，有機(jī)物被微生物分解，產(chǎn)生的電子通過外電路傳遞到陰極發(fā)生還原反應(yīng)。而在實(shí)際環(huán)境中，Re-imers等將一塊石墨板埋在海底沉積物中作為陽極，另一塊石墨板浮放在上覆水中作為陰極，用金屬導(dǎo)線連接陰極和陽極。經(jīng)過培養(yǎng)，產(chǎn)生了大于0.7V開路電壓，以及0.01W/m生物電流。從而證實(shí)了在實(shí)際環(huán)境中，空間隔離的有機(jī)碳氧化反應(yīng)可與氧氣的還原反應(yīng)可偶聯(lián)發(fā)生。實(shí)際上，針對生物地球電池研究，所采用的沉積物均取自有機(jī)物豐富的區(qū)域；自然環(huán)境中，生物地球電池發(fā)現(xiàn)的區(qū)域也是有機(jī)物含量較高的地區(qū)；但是，還沒證據(jù)表明有機(jī)物與生物地球電池具有直接關(guān)系。為此，本文以乙酸鈉作為有機(jī)碳，利用多種技術(shù)對生物地球電池效應(yīng)作用下的有機(jī)碳氧化過程的信號進(jìn)行檢測。研究微生物作用下，有機(jī)碳（乙酸）的降解過程與生物地球電池效應(yīng)的相互關(guān)系。為理解自然環(huán)境中生物地球電池效應(yīng)的普遍性提供理論支持。


測定項(xiàng)目與方法


采用四通道皮安計(jì)(Unisense，Aarhus，Denmark)以及配備的溶解氧微電極（尖端50μm）、硫化氫微電極碳（乙酸）的降解過程與生物地球電池效應(yīng)的相互關(guān)系。為理解自然環(huán)境中生物地球電池效應(yīng)的普遍性提供理論支持。


材料與方法


UpOPBS ONA(100μm）、pH微電極（尖端50μm)對土層中的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行檢測。采用CHI660D電化學(xué)工作站的循環(huán)伏安法(CV)對土層的電化學(xué)活性進(jìn)行表征。參照Ma的方法制作Au電極作為工作電極（直徑0.1mm，有效工作長度0.5mm），飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。掃描范圍為-0.7~0.4V，掃描速率為1mV/s。

使用離子色譜儀(DionexICS-90)，配備離子色譜柱(IonPacAS14A4x250mm)測定乙酸濃度。流動相為 NaCOs (8.0 mmol/L)-NaHCOs (1.0 mmol/L)緩沖溶液，流速為1.0mL/min。

采用2個Ag/AgC不極化電極測量土柱不同深度的自然電位（尖端0.5mm）、優(yōu)利德UT61E萬用表（高靈敏~0.1mV、輸人電阻>10MQ2)。

超聲波測量采用HTY-B超聲波參數(shù)測試儀（揚(yáng)州市廣陵區(qū)專用超聲設(shè)備廠)進(jìn)行，測量方法參照Davis等，中心頻率0.5MHz。

將沉積物用2.5%戊二醛(GTA)固定4h，用0.5μm濾紙過濾，收集菌體，再用20%、30%、50%、70%、80%、85%、95%、100%的乙醇進(jìn)行梯度脫水，然后真空干燥、噴金，將樣品置于掃描電子顯微鏡（JSM-6330F，Hitachi)上進(jìn)行觀察。

樣品的結(jié)構(gòu)和晶型使用X-射線衍射儀(RigakuK/Max-II，Japan)分析。功率3kW，管壓40kV，管流40mV，20測量范圍10°~90°；超高頻電壓發(fā)生器，高壓穩(wěn)定度0.005%，u=8/min，以CuKα(入=0.1542nm)為衍射源，使用轉(zhuǎn)靶陽極。

樣品DNA采用PowerSoilTMDNAIsolationKit試劑盒(MO BIO Laboratories，Inc.)提取。上述DNA委托北京諾禾致源生物信息科技有限公司采用Illμumina測序儀進(jìn)行高通量測序，采用QIIME軟件包對原始數(shù)據(jù)分析。


土層地球物理化學(xué)信號分析

對生物地球電池的研究，除了利用微電極研究pH/溶解氧(O)/硫化氫等關(guān)鍵參數(shù)之外，對金屬離子（如Fe、Mn等）研究也很重要。天然電流的流動，必然導(dǎo)致其中離子的遷移、沉淀、溶解。研究表明，可利用Au/Hg微電極結(jié)合電化學(xué)循環(huán)伏安法原位、無破壞地表征不同深度Fe(II，ⅢI)、Mn(IⅡIIⅢI，IV)、S、H2S-等離子的濃度。因此，本實(shí)驗(yàn)參照Ma的方法，制作Au電極對土層的電化學(xué)活性進(jìn)行研究，以此探索在生物地球電池效應(yīng)下，土層中Fe離子的變化規(guī)律。

循環(huán)伏安(CV)結(jié)果顯示(圖3)，在ONA反應(yīng)器中，隨著深度的增加，F(xiàn)e*的還原峰值先是增加，在約20mm處增加到最大，然后緩慢下降。氧化峰是逐漸增加的，其變化不明顯。原因分析，由于天然微生物燃料電池效應(yīng)，使得1.5~2.0mm處的微生物活性更高，從而產(chǎn)生更多的Fe離子，而深層Fe*還原峰值下降是因?yàn)?，距離上層溶解氧較遠(yuǎn)，傳輸電子速率下降，因而影響了微生物的活性。這與pH、O2微電極結(jié)果的實(shí)質(zhì)是一致的。這也進(jìn)一步說明土柱的中間層變黑（圖1)的原因，即Fe*在厭氧區(qū)擴(kuò)散，與硫化氫發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生FeS沉淀。Risgaard-Petersen等研究表明，土層中的游離Fe主要來自FeS的溶解，其溶解率為(5.9±0.7)mmol/(m2·d)(以Fe計(jì))。當(dāng)Fe*在厭氧區(qū)擴(kuò)散，與硫化氫發(fā)生反應(yīng)，即產(chǎn)生FeS沉淀；當(dāng)Fe*往好氧區(qū)擴(kuò)散，與O，發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生Fe(OH)沉淀。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在ONA反應(yīng)器的液面上也發(fā)現(xiàn)少量的黃色物質(zhì)（圖中未顯示），推測是Fe(OH)沉淀。

自然電位(self-potential，SP)是地球物理方法的一種，它的測量是以一個固定點(diǎn)電位作為參考電位，檢測被測點(diǎn)與其之差。SP是研究土壤中的微生物代謝活動的一個有有效工具。研究發(fā)現(xiàn)，SP與生物地球電池密切相關(guān)，結(jié)合其他技術(shù)可對生物地球電池進(jìn)行表征和監(jiān)測。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖3)，在ONA反應(yīng)器中，隨著土層深度的增加，自然電位逐漸下降，最大差值達(dá)到0.2V，出現(xiàn)在深度為1.5mm處，說明了在土層1.5mm深度上下形成了一個靜電場，其值為1.33V/m。相反，其他3個處理樣變化較小。研究發(fā)現(xiàn)，在土層0~15mm以下，其電位值線性增加，在15mm達(dá)到最大值-0.08V/m，說明形成了電場，從而驅(qū)動電子的流動。而Doherty等利用SP方法對北愛爾蘭Porta鎮(zhèn)的一個廢棄煤氣廠的測量發(fā)現(xiàn)，其SP異常高達(dá)800mV(-450~350mV)，作者認(rèn)為該區(qū)域形成了一個巨大的MFC，微生物在厭氧區(qū)氧化有機(jī)物，產(chǎn)生大量的胞外電子，通過導(dǎo)體傳遞給溶液中的溶解氧，其中厭氧區(qū)域是陽極，上層溶液區(qū)是陰極。由于大量的電子未能及時傳輸，從而導(dǎo)致陽極區(qū)域SP出現(xiàn)較大的異常。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，我們認(rèn)為，ONA反應(yīng)器出現(xiàn)的電場是以上2個方面的綜合結(jié)果。