研究簡介:介紹了一種新型電勢微電極（EPM），用于在海洋沉積物中測量由電纜細(xì)菌活動引起的電勢變化。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具有亞毫米級的空間分辨率，能夠在實驗時間內(nèi)對環(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)計與常規(guī)地球物理勘測中使用的電極不同，它能夠在亞毫米尺度上運行，并且對氧化還原活性化合物不敏感。通過測量與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物中的電子傳遞過程具有重要意義。EPM的高分辨率測量能力為研究沉積物中的微生物活動提供了新的工具，有助于揭示電纜細(xì)菌在地球物理過程中的作用。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

使用一個電機化的微剖析系統(tǒng)(Unisense)進行微傳感器的定位和數(shù)據(jù)記錄。在測量每個垂直微剖面之前，即沿軌跡在定義的位置采集一系列測量數(shù)據(jù)之前，首先通過手動顯微操作器控制降低微傳感器，并觀察一個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行測量時，首先將每個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一定的水平距離。這樣可以確保在大約100μm精度下測量一組相同水平位置的沉積物微剖面。

實驗結(jié)論

電勢微電極（EPM）能夠用于海洋沉積物中基于電纜細(xì)菌活動和鹽度梯度引起的電勢進行高空間和時間分辨率的映射?；贓PM數(shù)據(jù)的數(shù)值建?？梢蕴峁┯嘘P(guān)電勢分布背后過程的空間分布的詳細(xì)信息，這對于理解電纜細(xì)菌在沉積物中的電子傳遞過程至關(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)計在這些環(huán)境中的測量信號會更大，因為其孔隙水導(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測量來糾正這些人為效應(yīng)。EPM在實驗室中可以達(dá)到小于10μV的信號分辨率，并且通過漂移校正程序，可以實現(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)計的細(xì)長電極。尖端被熔化以創(chuàng)建側(cè)孔尖端。(b)具有頂端開口的更堅固的尖端。尖端被熔化以減小開口并加固尖端；兩個尖端尖刺是由于與加熱環(huán)的物理接觸引起的。箭頭指示尖端開口的位置。

圖2、不同設(shè)計的測試電極對硫化物暴露（1.3-3.5 mM）的響應(yīng)圖。(a)測試電極進行硫化物測試的信號時間曲線示例（內(nèi)部電極在尖端后5毫米，平行邊設(shè)計，無電氯化）。黑色十字：原始數(shù)據(jù)，紅色點：對原始數(shù)據(jù)的Savitzky-Golay擬合，藍(lán)色點：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：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)計為函數(shù)的最小第一信號導(dǎo)數(shù)的時間（以小時為單位）對數(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）的對數(shù)圖：黑色開放方塊：無電氯化，平行邊設(shè)計；黑色實心方塊：從圖3a的示例中提取的數(shù)據(jù)點；藍(lán)色三角形：電氯化，平行邊設(shè)計；紅色開放圓圈：無電氯化，圓錐形100μm尖端；紅色實心圓圈：圓錐形30μm尖端。(c)最小第一信號導(dǎo)數(shù)的負(fù)對數(shù)與電極位置的對數(shù)。符號與圖2b相似。

圖3、氧化還原干擾測試。沒有電纜細(xì)菌活動或鹽度梯度的沉積物樣品中的氧、孔隙水硫化物、電勢（EP，3個重復(fù)測量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差）和氧化還原電位（相對于SHE）。

圖4、沉積物樣品中與生物地電流相關(guān)的電勢梯度。(a)在孵育開始后19天測量的氧、S2 tot、pH和EP微剖面。(b)在開始孵育后4天（氧、S2 tot和pH）和5天（電勢）測量的微剖面。數(shù)據(jù)點表示三個獨立剖面的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。請注意，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計算得出的，因此不精確。

圖5、電擴散電位。人造沙質(zhì)沉積物中相對于上覆水的電勢微剖面。最初，整個系統(tǒng)中的NaCl濃度為0.5 M；在t=0時，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。電勢微電極（EPM）被構(gòu)建用于測量當(dāng)電纜細(xì)菌在厘米距離上導(dǎo)電時應(yīng)出現(xiàn)的電場。這些EPMs是針狀的、有屏蔽的Ag/AgCl半電池，使其對環(huán)境中的氧化還原活性物質(zhì)不敏感。實現(xiàn)了直徑為40至100微米和信號分辨率約為10微伏的針尖。在活躍的電纜細(xì)菌海洋沉積物中的測試顯示，從沉積物-水界面到約20毫米深處的電勢增加約2毫伏，與從氧氣、pH和H2S微剖面估計的電流位置和方向一致。EPM還捕捉了電擴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公司開發(fā)的EPM電極（電勢電極）能夠進行高空間和時間分辨率的測量，這對于研究微區(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對象的結(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和電勢動態(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)菌在地球物理過程中的作用。