生物地球電池是一種微生物驅動的胞外電子“長距離”傳遞所形成的自然現象。文章以乙酸鈉作為外加碳源，探究乙酸消耗與生物地球電池形成的相互關系。

生物地球電池是一種發生在地球表層氧化/還原界面的自然現象，是微生物在厭氧區域氧化有機碳、硫化物等電子供體，產生的電子經胞外介體，通過“長距離”傳輸至好氧區，從而與空間上隔離的氧氣等電子受體發生還原反應的過程。由于生物電流的偶聯，使得過去認為因空間隔離而難以發生的氧化/還原反應，可以快速、及時的進行。其科學本質是通過微生物驅動電子流動，偶聯空間上隔離的生物地球化學過程"。

生物地球電池最初由Ntarlagiannis于2007年，基于納米導線介導的微生物胞外呼吸特性而提出。2010年，Nielsen等利用微電極技術結合質子平衡計算證實：海底沉積物中硫化氫氧化反應與海水表面的溶解氧可發生空間隔離的氧化還原反應，即底泥中的微生物氧化硫化氫，同時將電子傳遞給上層溶液中的，其轉移途徑為：硫化氫→微生物→納米導電網絡→氧氣。

2012年，Pfeffer等在海底沉積物的培養中發現長絲狀微生物(Desulfobulbaceae）；同時證實Desulfobulbaceae可驅動天然電流的形成；它們從海泥界面延伸至沉積物的深層厭氧區，一端伸長到厭氧區并氧化硫化物，產生的電子通過菌體傳輸給海水中的溶解氧。緊接著，Malkin等以不同來源的沉積物（海岸鹽沼濕地、季節性缺氧盆地、沿海平原潮泥)為研究對象，研究發現以上幾種來源的沉積物中，均能發現Desulfobulbaceae的存在。這些結果表明生物地球電池是自然環境中普遍存在的。

生物地球電池的提出，改變了人們對自然界氧化還原反應的傳統認識，為理解空間隔離的生物地球化學過程提供了新的視角。生物地球電池解釋了“長距離”（cm尺度)的電子供體/受體間發生氧化還原反應的現象，偶聯了空間隔離的硫化物氧化反應與氧氣、硝酸鹽的還原反應等。基于生物地球電池的“長距離”電子傳遞效應在環境污染物降解、物質循環方面起到了重要的作用，是目前的研究熱點。

目前針對生物地球電池效應的研究，其電子供體的來源主要是硫化物，最終產物是硫化氫。而有機碳與生物地球電池效應關系的研究，鮮見報道。究其原因是：具有可實時監測硫化氫變化的微電極，而尚未具有有機碳檢測的微電極。

實際上，有機碳是被大多數微生物利用的主要碳源。理論上，有機碳也可作為電子供體來源，從而形成生物地球電池效應。在人為作用下，通過微生物燃料電池（microbialfuelcell，MFC)裝置，可構建人工的生物地球電池效應。在MFC的陽極室，有機物被微生物分解，產生的電子通過外電路傳遞到陰極發生還原反應。而在實際環境中，Re-imers等將一塊石墨板埋在海底沉積物中作為陽極，另一塊石墨板浮放在上覆水中作為陰極，用金屬導線連接陰極和陽極。經過培養，產生了大于0.7V開路電壓，以及0.01W/m生物電流。從而證實了在實際環境中，空間隔離的有機碳氧化反應可與氧氣的還原反應可偶聯發生。實際上，針對生物地球電池研究，所采用的沉積物均取自有機物豐富的區域；自然環境中，生物地球電池發現的區域也是有機物含量較高的地區；但是，還沒證據表明有機物與生物地球電池具有直接關系。為此，本文以乙酸鈉作為有機碳，利用多種技術對生物地球電池效應作用下的有機碳氧化過程的信號進行檢測。研究微生物作用下，有機碳（乙酸）的降解過程與生物地球電池效應的相互關系。為理解自然環境中生物地球電池效應的普遍性提供理論支持。

測定項目與方法

采用四通道皮安計(Unisense，Aarhus，Denmark)以及配備的溶解氧微電極（尖端50μm）、硫化氫微電極碳（乙酸）的降解過程與生物地球電池效應的相互關系。為理解自然環境中生物地球電池效應的普遍性提供理論支持。

材料與方法

UpOPBS ONA(100μm）、pH微電極（尖端50μm)對土層中的相應參數進行檢測。采用CHI660D電化學工作站的循環伏安法(CV)對土層的電化學活性進行表征。參照Ma的方法制作Au電極作為工作電極（直徑0.1mm，有效工作長度0.5mm），飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。掃描范圍為-0.7~0.4V，掃描速率為1mV/s。

使用離子色譜儀(DionexICS-90)，配備離子色譜柱(IonPacAS14A4x250mm)測定乙酸濃度。流動相為 NaCOs (8.0 mmol/L)-NaHCOs (1.0 mmol/L)緩沖溶液，流速為1.0mL/min。

采用2個Ag/AgC不極化電極測量土柱不同深度的自然電位（尖端0.5mm）、優利德UT61E萬用表（高靈敏~0.1mV、輸人電阻>10MQ2)。

超聲波測量采用HTY-B超聲波參數測試儀（揚州市廣陵區專用超聲設備廠)進行，測量方法參照Davis等，中心頻率0.5MHz。

將沉積物用2.5%戊二醛(GTA)固定4h，用0.5μm濾紙過濾，收集菌體，再用20%、30%、50%、70%、80%、85%、95%、100%的乙醇進行梯度脫水，然后真空干燥、噴金，將樣品置于掃描電子顯微鏡（JSM-6330F，Hitachi)上進行觀察。

樣品的結構和晶型使用X-射線衍射儀(RigakuK/Max-II，Japan)分析。功率3kW，管壓40kV，管流40mV，20測量范圍10°~90°；超高頻電壓發生器，高壓穩定度0.005%，u=8/min，以CuKα(入=0.1542nm)為衍射源，使用轉靶陽極。

樣品DNA采用PowerSoilTMDNAIsolationKit試劑盒(MO BIO Laboratories，Inc.)提取。上述DNA委托北京諾禾致源生物信息科技有限公司采用Illμumina測序儀進行高通量測序，采用QIIME軟件包對原始數據分析。

土層地球物理化學信號分析

對生物地球電池的研究，除了利用微電極研究pH/溶解氧(O)/硫化氫等關鍵參數之外，對金屬離子（如Fe、Mn等）研究也很重要。天然電流的流動，必然導致其中離子的遷移、沉淀、溶解。研究表明，可利用Au/Hg微電極結合電化學循環伏安法原位、無破壞地表征不同深度Fe(II，ⅢI)、Mn(IⅡIIⅢI，IV)、S、H2S-等離子的濃度。因此，本實驗參照Ma的方法，制作Au電極對土層的電化學活性進行研究，以此探索在生物地球電池效應下，土層中Fe離子的變化規律。

循環伏安(CV)結果顯示(圖3)，在ONA反應器中，隨著深度的增加，Fe*的還原峰值先是增加，在約20mm處增加到最大，然后緩慢下降。氧化峰是逐漸增加的，其變化不明顯。原因分析，由于天然微生物燃料電池效應，使得1.5~2.0mm處的微生物活性更高，從而產生更多的Fe離子，而深層Fe*還原峰值下降是因為，距離上層溶解氧較遠，傳輸電子速率下降，因而影響了微生物的活性。這與pH、O2微電極結果的實質是一致的。這也進一步說明土柱的中間層變黑（圖1)的原因，即Fe*在厭氧區擴散，與硫化氫發生反應，產生FeS沉淀。Risgaard-Petersen等研究表明，土層中的游離Fe主要來自FeS的溶解，其溶解率為(5.9±0.7)mmol/(m2·d)(以Fe計)。當Fe*在厭氧區擴散，與硫化氫發生反應，即產生FeS沉淀；當Fe*往好氧區擴散，與O，發生反應，產生Fe(OH)沉淀。本實驗結果，在ONA反應器的液面上也發現少量的黃色物質（圖中未顯示），推測是Fe(OH)沉淀。

自然電位(self-potential，SP)是地球物理方法的一種，它的測量是以一個固定點電位作為參考電位，檢測被測點與其之差。SP是研究土壤中的微生物代謝活動的一個有有效工具。研究發現，SP與生物地球電池密切相關，結合其他技術可對生物地球電池進行表征和監測。

實驗結果表明(圖3)，在ONA反應器中，隨著土層深度的增加，自然電位逐漸下降，最大差值達到0.2V，出現在深度為1.5mm處，說明了在土層1.5mm深度上下形成了一個靜電場，其值為1.33V/m。相反，其他3個處理樣變化較小。研究發現，在土層0~15mm以下，其電位值線性增加，在15mm達到最大值-0.08V/m，說明形成了電場，從而驅動電子的流動。而Doherty等利用SP方法對北愛爾蘭Porta鎮的一個廢棄煤氣廠的測量發現，其SP異常高達800mV(-450~350mV)，作者認為該區域形成了一個巨大的MFC，微生物在厭氧區氧化有機物，產生大量的胞外電子，通過導體傳遞給溶液中的溶解氧，其中厭氧區域是陽極，上層溶液區是陰極。由于大量的電子未能及時傳輸，從而導致陽極區域SP出現較大的異常。結合本實驗的結果，我們認為，ONA反應器出現的電場是以上2個方面的綜合結果。