生物地球电池是一种微生物驱动的胞外电子“长距离”传递所形成的自然现象。文章以乙酸钠作为外加碳源，探究乙酸消耗与生物地球电池形成的相互关系。


生物地球电池是一种发生在地球表层氧化/还原界面的自然现象，是微生物在厌氧区域氧化有机碳、硫化物等电子供体，产生的电子经胞外介体，通过“长距离”传输至好氧区，从而与空间上隔离的氧气等电子受体发生还原反应的过程。由于生物电流的偶联，使得过去认为因空间隔离而难以发生的氧化/还原反应，可以快速、及时的进行。其科学本质是通过微生物驱动电子流动，偶联空间上隔离的生物地球化学过程"。

生物地球电池最初由Ntarlagiannis于2007年，基于纳米导线介导的微生物胞外呼吸特性而提出。2010年，Nielsen等利用微电极技术结合质子平衡计算证实：海底沉积物中硫化氢氧化反应与海水表面的溶解氧可发生空间隔离的氧化还原反应，即底泥中的微生物氧化硫化氢，同时将电子传递给上层溶液中的，其转移途径为：硫化氢→微生物→纳米导电网络→氧气。

2012年，Pfeffer等在海底沉积物的培养中发现长丝状微生物(Desulfobulbaceae）；同时证实Desulfobulbaceae可驱动天然电流的形成；它们从海泥界面延伸至沉积物的深层厌氧区，一端伸长到厌氧区并氧化硫化物，产生的电子通过菌体传输给海水中的溶解氧。紧接着，Malkin等以不同来源的沉积物（海岸盐沼湿地、季节性缺氧盆地、沿海平原潮泥)为研究对象，研究发现以上几种来源的沉积物中，均能发现Desulfobulbaceae的存在。这些结果表明生物地球电池是自然环境中普遍存在的。

生物地球电池的提出，改变了人们对自然界氧化还原反应的传统认识，为理解空间隔离的生物地球化学过程提供了新的视角。生物地球电池解释了“长距离”（cm尺度)的电子供体/受体间发生氧化还原反应的现象，偶联了空间隔离的硫化物氧化反应与氧气、硝酸盐的还原反应等。基于生物地球电池的“长距离”电子传递效应在环境污染物降解、物质循环方面起到了重要的作用，是目前的研究热点。

目前针对生物地球电池效应的研究，其电子供体的来源主要是硫化物，最终产物是硫化氢。而有机碳与生物地球电池效应关系的研究，鲜见报道。究其原因是：具有可实时监测硫化氢变化的微电极，而尚未具有有机碳检测的微电极。


实际上，有机碳是被大多数微生物利用的主要碳源。理论上，有机碳也可作为电子供体来源，从而形成生物地球电池效应。在人为作用下，通过微生物燃料电池（microbialfuelcell，MFC)装置，可构建人工的生物地球电池效应。在MFC的阳极室，有机物被微生物分解，产生的电子通过外电路传递到阴极发生还原反应。而在实际环境中，Re-imers等将一块石墨板埋在海底沉积物中作为阳极，另一块石墨板浮放在上覆水中作为阴极，用金属导线连接阴极和阳极。经过培养，产生了大于0.7V开路电压，以及0.01W/m生物电流。从而证实了在实际环境中，空间隔离的有机碳氧化反应可与氧气的还原反应可偶联发生。实际上，针对生物地球电池研究，所采用的沉积物均取自有机物丰富的区域；自然环境中，生物地球电池发现的区域也是有机物含量较高的地区；但是，还没证据表明有机物与生物地球电池具有直接关系。为此，本文以乙酸钠作为有机碳，利用多种技术对生物地球电池效应作用下的有机碳氧化过程的信号进行检测。研究微生物作用下，有机碳（乙酸）的降解过程与生物地球电池效应的相互关系。为理解自然环境中生物地球电池效应的普遍性提供理论支持。


测定项目与方法


采用四通道皮安计(Unisense，Aarhus，Denmark)以及配备的溶解氧微电极（尖端50μm）、硫化氢微电极碳（乙酸）的降解过程与生物地球电池效应的相互关系。为理解自然环境中生物地球电池效应的普遍性提供理论支持。


材料与方法


UpOPBS ONA(100μm）、pH微电极（尖端50μm)对土层中的相应参数进行检测。采用CHI660D电化学工作站的循环伏安法(CV)对土层的电化学活性进行表征。参照Ma的方法制作Au电极作为工作电极（直径0.1mm，有效工作长度0.5mm），饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极。扫描范围为-0.7~0.4V，扫描速率为1mV/s。

使用离子色谱仪(DionexICS-90)，配备离子色谱柱(IonPacAS14A4x250mm)测定乙酸浓度。流动相为 NaCOs (8.0 mmol/L)-NaHCOs (1.0 mmol/L)缓冲溶液，流速为1.0mL/min。

采用2个Ag/AgC不极化电极测量土柱不同深度的自然电位（尖端0.5mm）、优利德UT61E万用表（高灵敏~0.1mV、输人电阻>10MQ2)。

超声波测量采用HTY-B超声波参数测试仪（扬州市广陵区专用超声设备厂)进行，测量方法参照Davis等，中心频率0.5MHz。

将沉积物用2.5%戊二醛(GTA)固定4h，用0.5μm滤纸过滤，收集菌体，再用20%、30%、50%、70%、80%、85%、95%、100%的乙醇进行梯度脱水，然后真空干燥、喷金，将样品置于扫描电子显微镜（JSM-6330F，Hitachi)上进行观察。

样品的结构和晶型使用X-射线衍射仪(RigakuK/Max-II，Japan)分析。功率3kW，管压40kV，管流40mV，20测量范围10°~90°；超高频电压发生器，高压稳定度0.005%，u=8/min，以CuKα(入=0.1542nm)为衍射源，使用转靶阳极。

样品DNA采用PowerSoilTMDNAIsolationKit试剂盒(MO BIO Laboratories，Inc.)提取。上述DNA委托北京诺禾致源生物信息科技有限公司采用Illμumina测序仪进行高通量测序，采用QIIME软件包对原始数据分析。


土层地球物理化学信号分析

对生物地球电池的研究，除了利用微电极研究pH/溶解氧(O)/硫化氢等关键参数之外，对金属离子（如Fe、Mn等）研究也很重要。天然电流的流动，必然导致其中离子的迁移、沉淀、溶解。研究表明，可利用Au/Hg微电极结合电化学循环伏安法原位、无破坏地表征不同深度Fe(II，ⅢI)、Mn(IⅡIIⅢI，IV)、S、H2S-等离子的浓度。因此，本实验参照Ma的方法，制作Au电极对土层的电化学活性进行研究，以此探索在生物地球电池效应下，土层中Fe离子的变化规律。

循环伏安(CV)结果显示(图3)，在ONA反应器中，随着深度的增加，Fe*的还原峰值先是增加，在约20mm处增加到最大，然后缓慢下降。氧化峰是逐渐增加的，其变化不明显。原因分析，由于天然微生物燃料电池效应，使得1.5~2.0mm处的微生物活性更高，从而产生更多的Fe离子，而深层Fe*还原峰值下降是因为，距离上层溶解氧较远，传输电子速率下降，因而影响了微生物的活性。这与pH、O2微电极结果的实质是一致的。这也进一步说明土柱的中间层变黑（图1)的原因，即Fe*在厌氧区扩散，与硫化氢发生反应，产生FeS沉淀。Risgaard-Petersen等研究表明，土层中的游离Fe主要来自FeS的溶解，其溶解率为(5.9±0.7)mmol/(m²·d)(以Fe计)。当Fe*在厌氧区扩散，与硫化氢发生反应，即产生FeS沉淀；当Fe*往好氧区扩散，与O，发生反应，产生Fe(OH)沉淀。本实验结果，在ONA反应器的液面上也发现少量的黄色物质（图中未显示），推测是Fe(OH)沉淀。

自然电位(self-potential，SP)是地球物理方法的一种，它的测量是以一个固定点电位作为参考电位，检测被测点与其之差。SP是研究土壤中的微生物代谢活动的一个有有效工具。研究发现，SP与生物地球电池密切相关，结合其他技术可对生物地球电池进行表征和监测。

实验结果表明(图3)，在ONA反应器中，随着土层深度的增加，自然电位逐渐下降，最大差值达到0.2V，出现在深度为1.5mm处，说明了在土层1.5mm深度上下形成了一个静电场，其值为1.33V/m。相反，其他3个处理样变化较小。研究发现，在土层0~15mm以下，其电位值线性增加，在15mm达到最大值-0.08V/m，说明形成了电场，从而驱动电子的流动。而Doherty等利用SP方法对北爱尔兰Porta镇的一个废弃煤气厂的测量发现，其SP异常高达800mV(-450~350mV)，作者认为该区域形成了一个巨大的MFC，微生物在厌氧区氧化有机物，产生大量的胞外电子，通过导体传递给溶液中的溶解氧，其中厌氧区域是阳极，上层溶液区是阴极。由于大量的电子未能及时传输，从而导致阳极区域SP出现较大的异常。结合本实验的结果，我们认为，ONA反应器出现的电场是以上2个方面的综合结果。