電位跳動的秘密：微電極記錄電纜細菌與硫化氫的電化學對話

在沉積物環境中，電纜細菌（Cable Bacteria）通過長距離電子傳遞耦合硫化氫氧化與氧氣還原反應，成為調控硫循環的關鍵微生物。微電極技術憑借其高時空分辨率優勢，為揭示電纜細菌與硫化氫（H?S）的相互作用機制提供了核心技術支撐，具體研究進展如下：  

1. 微電極技術的核心原理與優勢  

微電極技術通過將直徑微米級的電極（如玻璃毛細管封裝的銀絲/鉑絲電極）插入沉積物，實現對氧氣（O?）、硫化氫（H?S）、氧化還原電位（Eh）等參數的亞毫米級空間分辨率測量。其核心優勢在于：  

動態追蹤：實時捕捉沉積物微界面（如泥水界面、生物膜表面）的化學參數變化；  

無損檢測：電極尺寸微小，對沉積物原位環境干擾可忽略；  

多參數同步：可同步獲取多種化學物質的濃度梯度與電位分布數據。

2. 電纜細菌與硫化氫相互作用的機制解析  

電纜細菌的代謝活動依賴于跨沉積物層的長距離電子傳遞，微電極技術通過監測關鍵化學參數，揭示了其與硫化氫作用的三大核心過程：  

（1）電子傳遞路徑可視化  

電纜細菌通過細胞內導電纖維（如細胞色素c蛋白網絡），將沉積物深部的硫化氫氧化反應與表層的氧氣還原反應耦合。微電極技術通過測量微尺度電位梯度（如非破壞性電勢微電極EPM），直接觀察到電纜細菌活動引發的沉積物垂直電位差（可達數十mV），證實了電子從深部H?S氧化位點向表層O?還原位點的定向傳輸。  

（2）硫化氫氧化的定量監測  

在沉積物深部缺氧區，電纜細菌催化H?S氧化為硫酸鹽（SO?2?），反應式為：  

微電極技術通過H?S選擇性微電極（如Ag/Ag?S膜電極），監測到該反應過程中H?S濃度的顯著下降（如從100 μM降至10 μM以下），同時伴隨氧化還原電位（Eh）的升高（+50至+150 mV），揭示了電纜細菌對硫化物的高效去除能力。  

（3）氧氣還原的動態響應  

在沉積物表層有氧區，電纜細菌將電子傳遞給氧氣，發生還原反應：  

通過O?微電極（如Clark型電極），研究人員觀察到電纜細菌活動區域的O?濃度梯度異常陡峭（如從200 μM/cm降至50 μM/cm），表明其對氧氣的高效消耗與電子傳遞效率。  

3. 典型應用實例與研究發現  

（1）電位分布與電子傳遞路徑解析  

在海洋沉積物研究中，非破壞性電勢微電極（EPM）檢測到由電纜細菌引發的水平電位梯度（0.1–1 mV/mm），結合H?S和O?微電極數據，證實了電纜細菌通過橫向電子傳遞耦合不同區域的氧化還原反應，而非傳統認知的垂直傳遞。  

（2）微生物協同作用的定量評估  

在微生物電合成系統（MES）與電纜細菌的耦合研究中，微電極技術測得：  

H?S去除率：協同作用時比單獨MES提升40–60%；  

SO?2?生成率：協同作用時提高30–50%，表明電纜細菌通過電子傳遞增強了系統對硫化物的轉化效率。  

（3）環境因子干擾試驗  

通過微電極技術對比有無電纜細菌活性的沉積物樣品，發現：  

在無電纜細菌的對照組中，H?S濃度梯度平緩（擴散主導），而Eh波動較小；  

鹽度梯度（如淡水vs.海水沉積物）顯著影響電纜細菌的電位分布幅度，揭示了離子傳導對其電子傳遞的限制作用。  

4. 未來研究方向與挑戰  

（1）生態系統尺度的功能解析  

需結合微電極技術與宏基因組學、穩定同位素示蹤技術，闡明電纜細菌在不同生態系統（如河口、濕地、深海）中的豐度、代謝活性及其對硫循環的貢獻權重。  

（2）純培養技術突破與機制深挖  

目前電纜細菌仍依賴混合培養，突破純培養技術瓶頸后，可通過微電極技術精確測量其單細胞水平的電子傳遞速率、底物利用偏好等關鍵生理參數。  

（3）環境修復技術創新  

基于微電極技術揭示的電纜細菌代謝特性，優化其與生物電化學系統（BES）的耦合模式，有望開發高效低耗的硫化物污染原位修復技術（如地下水、底泥治理），推動綠色低碳技術應用。  

微電極技術以其高分辨率、實時性、原位性的特殊優勢，成為解碼電纜細菌與硫化氫相互作用的“顯微鏡”。通過監測化學參數微剖面與電位分布，該技術不僅驗證了電纜細菌的長距離電子傳遞機制，更定量揭示了其在硫循環中的核心作用。智感環境是為數較少能夠實現微電極系統開發和商業化推廣的公司，并創新性地推出了微電極多通道分析系統，可以同步高分辨率檢測pH、DO、Eh、H?S等多種指標，實現了我國在該技術領域的彎道超車。未來，隨著技術創新與多學科融合，微電極技術將進一步推動電纜細菌在生態環境保護與污染治理中的應用轉化，為“雙碳”目標下的環境修復提供新路徑。