研究简介:介绍了一种新型电势微电极（EPM），用于在海洋沉积物中测量由电缆细菌活动引起的电势变化。电缆细菌是一种丝状硫酸还原菌，能够在沉积物中传递电子，将氧还原与硫化物氧化耦合。研究中构建的EPM具有亚毫米级的空间分辨率，能够在实验时间内对环境中的氧化还原活性化合物不敏感，且具有足够的信号分辨率，以捕获高导电性、盐度高的沉积物中的短距离低电流。EPM的设计与常规地球物理勘测中使用的电极不同，它能够在亚毫米尺度上运行，并且对氧化还原活性化合物不敏感。通过测量与O2、pH和H2S微剖面所指示的电化学反应相匹配的电势剖面，展示了EPM在海洋沉积物中的适用性。此外，EPM还捕捉了电扩散电位在人工沉积物上部数毫米中的出现和衰减，以响应上覆水中离子浓度的变化。研究结果表明，EPM可以用于在微生物、生物地球化学和地球物理学研究中以亚毫米分辨率跟踪电流源和汇。这对于理解电缆细菌在自然界中的作用以及它们如何影响沉积物中的电子传递过程具有重要意义。EPM的高分辨率测量能力为研究沉积物中的微生物活动提供了新的工具，有助于揭示电缆细菌在地球物理过程中的作用。


Unisense微电极系统的应用


使用一个电机化的微剖析系统(Unisense)进行微传感器的定位和数据记录。在测量每个垂直微剖面之前，即沿轨迹在定义的位置采集一系列测量数据之前，首先通过手动显微操作器控制降低微传感器，并观察一个解剖显微镜下的尖端，直到接触到表面为止，从而确定垂直表面位置，精度约为100μm。当使用多种传感器类型进行测量时，首先将每个传感器尖端与插入到沉积物中的细玻璃丝的尖端靠近，然后使用显微操作器移动一定的水平距离。这样可以确保在大约100μm精度下测量一组相同水平位置的沉积物微剖面。


实验结论


电势微电极（EPM）能够用于海洋沉积物中基于电缆细菌活动和盐度梯度引起的电势进行高空间和时间分辨率的映射。基于EPM数据的数值建模可以提供有关电势分布背后过程的空间分布的详细信息，这对于理解电缆细菌在沉积物中的电子传递过程至关重要。EPM不仅适用于海洋沉积物，还适用于淡水沉积物和土壤，预计在这些环境中的测量信号会更大，因为其孔隙水导电性较低。EPM可用于在野外探索自然系统，寻找可能导致上覆污染的大尺度电位异常的小尺度生物地电流。在EP变化与感兴趣参数的解释相比产生显着人为效应的系统中，可以使用EPM测量来纠正这些人为效应。EPM在实验室中可以达到小于10μV的信号分辨率，并且通过漂移校正程序，可以实现高度可重复的数据。

图1、EP电极两种不同尖端的显微照片。(a)侧孔设计的细长电极。尖端被熔化以创建侧孔尖端。(b)具有顶端开口的更坚固的尖端。尖端被熔化以减小开口并加固尖端；两个尖端尖刺是由于与加热环的物理接触引起的。箭头指示尖端开口的位置。

图2、不同设计的测试电极对硫化物暴露（1.3-3.5 mM）的响应图。(a)测试电极进行硫化物测试的信号时间曲线示例（内部电极在尖端后5毫米，平行边设计，无电氯化）。黑色十字：原始数据，红色点：对原始数据的Savitzky-Golay拟合，蓝色点：Savitzky-Golay拟合的一阶导数（右轴的右比例尺为mV h 1），绿色点：Savitzky-Golay拟合的二阶导数（右轴的左比例尺为mV h 2）。(b)以不同设计为函数的最小第一信号导数的时间（以小时为单位）对数和电极位置（内部电极和尖端之间的距离，以毫米为单位）的对数图：黑色开放方块：无电氯化，平行边设计；黑色实心方块：从图3a的示例中提取的数据点；蓝色三角形：电氯化，平行边设计；红色开放圆圈：无电氯化，圆锥形100μm尖端；红色实心圆圈：圆锥形30μm尖端。(c)最小第一信号导数的负对数与电极位置的对数。符号与图2b相似。

图3、氧化还原干扰测试。没有电缆细菌活动或盐度梯度的沉积物样品中的氧、孔隙水硫化物、电势（EP，3个重复测量的平均值和标准偏差）和氧化还原电位（相对于SHE）。

图4、沉积物样品中与生物地电流相关的电势梯度。(a)在孵育开始后19天测量的氧、S2 tot、pH和EP微剖面。(b)在开始孵育后4天（氧、S2 tot和pH）和5天（电势）测量的微剖面。数据点表示三个独立剖面的平均值±标准误差。请注意，在图4a中，2mm深度以下的S2 tot是使用2mm深度的pH数据从H2S计算得出的，因此不精确。

图5、电扩散电位。人造沙质沉积物中相对于上覆水的电势微剖面。最初，整个系统中的NaCl浓度为0.5 M；在t=0时，上覆水中的浓度改变为0.45 M。


结论与展望


本研究提出沉积物中空间分离的电子供体和受体可以被所谓的“电缆细菌”利用。电势微电极（EPM）被构建用于测量当电缆细菌在厘米距离上导电时应出现的电场。这些EPMs是针状的、有屏蔽的Ag/AgCl半电池，使其对环境中的氧化还原活性物质不敏感。实现了直径为40至100微米和信号分辨率约为10微伏的针尖。在活跃的电缆细菌海洋沉积物中的测试显示，从沉积物-水界面到约20毫米深处的电势增加约2毫伏，与从氧气、pH和H2S微剖面估计的电流位置和方向一致。EPM还捕捉了电扩散电位在人工沉积物的上部数毫米中的出现和衰减，以响应于上覆水中离子浓度的变化。Unisense公司开发的EPM电极（电势电极）能够进行高空间和时间分辨率的测量，这对于研究微区和微生态系统中的参数变化至关重要。电极尖端仅有几微米，能够刺入样品中而不破坏被测对象的结构和生理活性。研究结果表明，EPM可以用于在微生物、生物地球化学和地球物理学研究中以亚毫米分辨率跟踪电流源和汇总体而言，EPM作为一种新的研究工具，为研究沉积物中的微生物活动和电势动态变化提供了一种高分辨率和高灵敏度的方法，有助于深入理解电缆细菌在地球物理过程中的作用。