研究簡(jiǎn)介:介紹了一種新型電勢(shì)微電極（EPM），用于在海洋沉積物中測(cè)量由電纜細(xì)菌活動(dòng)引起的電勢(shì)變化。電纜細(xì)菌是一種絲狀硫酸還原菌，能夠在沉積物中傳遞電子，將氧還原與硫化物氧化耦合。研究中構(gòu)建的EPM具有亞毫米級(jí)的空間分辨率，能夠在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)對(duì)環(huán)境中的氧化還原活性化合物不敏感，且具有足夠的信號(hào)分辨率，以捕獲高導(dǎo)電性、鹽度高的沉積物中的短距離低電流。EPM的設(shè)計(jì)與常規(guī)地球物理勘測(cè)中使用的電極不同，它能夠在亞毫米尺度上運(yùn)行，并且對(duì)氧化還原活性化合物不敏感。通過(guò)測(cè)量與O2、pH和H2S微剖面所指示的電化學(xué)反應(yīng)相匹配的電勢(shì)剖面，展示了EPM在海洋沉積物中的適用性。此外，EPM還捕捉了電擴(kuò)散電位在人工沉積物上部數(shù)毫米中的出現(xiàn)和衰減，以響應(yīng)上覆水中離子濃度的變化。研究結(jié)果表明，EPM可以用于在微生物、生物地球化學(xué)和地球物理學(xué)研究中以亞毫米分辨率跟蹤電流源和匯。這對(duì)于理解電纜細(xì)菌在自然界中的作用以及它們?nèi)绾斡绊懗练e物中的電子傳遞過(guò)程具有重要意義。EPM的高分辨率測(cè)量能力為研究沉積物中的微生物活動(dòng)提供了新的工具，有助于揭示電纜細(xì)菌在地球物理過(guò)程中的作用。


Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用


使用一個(gè)電機(jī)化的微剖析系統(tǒng)(Unisense)進(jìn)行微傳感器的定位和數(shù)據(jù)記錄。在測(cè)量每個(gè)垂直微剖面之前，即沿軌跡在定義的位置采集一系列測(cè)量數(shù)據(jù)之前，首先通過(guò)手動(dòng)顯微操作器控制降低微傳感器，并觀察一個(gè)解剖顯微鏡下的尖端，直到接觸到表面為止，從而確定垂直表面位置，精度約為100μm。當(dāng)使用多種傳感器類型進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先將每個(gè)傳感器尖端與插入到沉積物中的細(xì)玻璃絲的尖端靠近，然后使用顯微操作器移動(dòng)一定的水平距離。這樣可以確保在大約100μm精度下測(cè)量一組相同水平位置的沉積物微剖面。


實(shí)驗(yàn)結(jié)論


電勢(shì)微電極（EPM）能夠用于海洋沉積物中基于電纜細(xì)菌活動(dòng)和鹽度梯度引起的電勢(shì)進(jìn)行高空間和時(shí)間分辨率的映射?；贓PM數(shù)據(jù)的數(shù)值建?？梢蕴峁┯嘘P(guān)電勢(shì)分布背后過(guò)程的空間分布的詳細(xì)信息，這對(duì)于理解電纜細(xì)菌在沉積物中的電子傳遞過(guò)程至關(guān)重要。EPM不僅適用于海洋沉積物，還適用于淡水沉積物和土壤，預(yù)計(jì)在這些環(huán)境中的測(cè)量信號(hào)會(huì)更大，因?yàn)槠淇紫端畬?dǎo)電性較低。EPM可用于在野外探索自然系統(tǒng)，尋找可能導(dǎo)致上覆污染的大尺度電位異常的小尺度生物地電流。在EP變化與感興趣參數(shù)的解釋相比產(chǎn)生顯著人為效應(yīng)的系統(tǒng)中，可以使用EPM測(cè)量來(lái)糾正這些人為效應(yīng)。EPM在實(shí)驗(yàn)室中可以達(dá)到小于10μV的信號(hào)分辨率，并且通過(guò)漂移校正程序，可以實(shí)現(xiàn)高度可重復(fù)的數(shù)據(jù)。

圖1、EP電極兩種不同尖端的顯微照片。(a)側(cè)孔設(shè)計(jì)的細(xì)長(zhǎng)電極。尖端被熔化以創(chuàng)建側(cè)孔尖端。(b)具有頂端開(kāi)口的更堅(jiān)固的尖端。尖端被熔化以減小開(kāi)口并加固尖端；兩個(gè)尖端尖刺是由于與加熱環(huán)的物理接觸引起的。箭頭指示尖端開(kāi)口的位置。

圖2、不同設(shè)計(jì)的測(cè)試電極對(duì)硫化物暴露（1.3-3.5 mM）的響應(yīng)圖。(a)測(cè)試電極進(jìn)行硫化物測(cè)試的信號(hào)時(shí)間曲線示例（內(nèi)部電極在尖端后5毫米，平行邊設(shè)計(jì)，無(wú)電氯化）。黑色十字：原始數(shù)據(jù)，紅色點(diǎn)：對(duì)原始數(shù)據(jù)的Savitzky-Golay擬合，藍(lán)色點(diǎn)：Savitzky-Golay擬合的一階導(dǎo)數(shù)（右軸的右比例尺為mV h 1），綠色點(diǎn)：Savitzky-Golay擬合的二階導(dǎo)數(shù)（右軸的左比例尺為mV h 2）。(b)以不同設(shè)計(jì)為函數(shù)的最小第一信號(hào)導(dǎo)數(shù)的時(shí)間（以小時(shí)為單位）對(duì)數(shù)和電極位置（內(nèi)部電極和尖端之間的距離，以毫米為單位）的對(duì)數(shù)圖：黑色開(kāi)放方塊：無(wú)電氯化，平行邊設(shè)計(jì)；黑色實(shí)心方塊：從圖3a的示例中提取的數(shù)據(jù)點(diǎn)；藍(lán)色三角形：電氯化，平行邊設(shè)計(jì)；紅色開(kāi)放圓圈：無(wú)電氯化，圓錐形100μm尖端；紅色實(shí)心圓圈：圓錐形30μm尖端。(c)最小第一信號(hào)導(dǎo)數(shù)的負(fù)對(duì)數(shù)與電極位置的對(duì)數(shù)。符號(hào)與圖2b相似。

圖3、氧化還原干擾測(cè)試。沒(méi)有電纜細(xì)菌活動(dòng)或鹽度梯度的沉積物樣品中的氧、孔隙水硫化物、電勢(shì)（EP，3個(gè)重復(fù)測(cè)量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差）和氧化還原電位（相對(duì)于SHE）。

圖4、沉積物樣品中與生物地電流相關(guān)的電勢(shì)梯度。(a)在孵育開(kāi)始后19天測(cè)量的氧、S2 tot、pH和EP微剖面。(b)在開(kāi)始孵育后4天（氧、S2 tot和pH）和5天（電勢(shì)）測(cè)量的微剖面。數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三個(gè)獨(dú)立剖面的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。請(qǐng)注意，在圖4a中，2mm深度以下的S2 tot是使用2mm深度的pH數(shù)據(jù)從H2S計(jì)算得出的，因此不精確。

圖5、電擴(kuò)散電位。人造沙質(zhì)沉積物中相對(duì)于上覆水的電勢(shì)微剖面。最初，整個(gè)系統(tǒng)中的NaCl濃度為0.5 M；在t=0時(shí)，上覆水中的濃度改變?yōu)?.45 M。


結(jié)論與展望


本研究提出沉積物中空間分離的電子供體和受體可以被所謂的“電纜細(xì)菌”利用。電勢(shì)微電極（EPM）被構(gòu)建用于測(cè)量當(dāng)電纜細(xì)菌在厘米距離上導(dǎo)電時(shí)應(yīng)出現(xiàn)的電場(chǎng)。這些EPMs是針狀的、有屏蔽的Ag/AgCl半電池，使其對(duì)環(huán)境中的氧化還原活性物質(zhì)不敏感。實(shí)現(xiàn)了直徑為40至100微米和信號(hào)分辨率約為10微伏的針尖。在活躍的電纜細(xì)菌海洋沉積物中的測(cè)試顯示，從沉積物-水界面到約20毫米深處的電勢(shì)增加約2毫伏，與從氧氣、pH和H2S微剖面估計(jì)的電流位置和方向一致。EPM還捕捉了電擴(kuò)散電位在人工沉積物的上部數(shù)毫米中的出現(xiàn)和衰減，以響應(yīng)于上覆水中離子濃度的變化。Unisense公司開(kāi)發(fā)的EPM電極（電勢(shì)電極）能夠進(jìn)行高空間和時(shí)間分辨率的測(cè)量，這對(duì)于研究微區(qū)和微生態(tài)系統(tǒng)中的參數(shù)變化至關(guān)重要。電極尖端僅有幾微米，能夠刺入樣品中而不破壞被測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)和生理活性。研究結(jié)果表明，EPM可以用于在微生物、生物地球化學(xué)和地球物理學(xué)研究中以亞毫米分辨率跟蹤電流源和匯總體而言，EPM作為一種新的研究工具，為研究沉積物中的微生物活動(dòng)和電勢(shì)動(dòng)態(tài)變化提供了一種高分辨率和高靈敏度的方法，有助于深入理解電纜細(xì)菌在地球物理過(guò)程中的作用。