在沉積物環(huán)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(huán)的關鍵微生物。微電極技術憑借其高時空分辨率優(yōu)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(yōu)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(xiàn)對氧氣（O?）、硫化氫（H?S）、氧化還原電位（Eh）等參數(shù)的亞毫米級空間分辨率測量。其核心優(yōu)勢在于：  

動態(tài)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(shù)變化；  

無損檢測：電極尺寸微小，對沉積物原位環(huán)境干擾可忽略；  

多參數(shù)同步：可同步獲取多種化學物質的濃度梯度與電位分布數(shù)據(jù)。

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(jiān)測關鍵化學參數(shù)，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(nèi)導電纖維（如細胞色素c蛋白網(wǎng)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(fā)的沉積物垂直電位差（可達數(shù)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(jiān)測  

在沉積物深部缺氧區(qū)，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(jiān)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(tài)響應  

在沉積物表層有氧區(qū)，電纜細菌將電子傳遞給氧氣，發(fā)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(qū)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(fā)現(xiàn)  

（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(fā)的水平電位梯度（0.1–1 mV/mm），結合H?S和O?微電極數(shù)據(jù)，證實了電纜細菌通過橫向電子傳遞耦合不同區(qū)域的氧化還原反應，而非傳統(tǒng)認知的垂直傳遞。  

（2）微生物協(xié)同作用的定量評估  

在微生物電合成系統(tǒng)（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(xié)同作用時比單獨MES提升40–60%；  

SO?2?生成率：協(xié)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(tǒng)對硫化物的轉化效率。  

（3）環(huán)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(fā)現(xiàn)：  

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?。? 

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(zhàn)  

（1）生態(tài)系統(tǒng)尺度的功能解析  

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

（2）純培養(yǎng)技術突破與機制深挖  

目前電纜細菌仍依賴混合培養(yǎng)，突破純培養(yǎng)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(shù)。  

（3）環(huán)境修復技術創(chuàng)新  

基于微電極技術揭示的電纜細菌代謝特性，優(yōu)化其與生物電化學系統(tǒng)（BES）的耦合模式，有望開發(fā)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(yōu)勢，成為解碼電纜細菌與硫化氫相互作用的“顯微鏡"。通過監(jiān)測化學參數(shù)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(huán)中的核心作用。智感環(huán)境是為數(shù)較少能夠實現(xiàn)微電極系統(tǒng)開發(fā)和商業(yè)化推廣的公司，并創(chuàng)新性地推出了微電極多通道分析系統(tǒng)，可以同步高分辨率檢測pH、DO、Eh、H?S等多種指標，實現(xiàn)了我國在該技術領域的彎道超車。未來，隨著技術創(chuàng)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(tài)環(huán)境保護與污染治理中的應用轉化，為“雙碳"目標下的環(huán)境修復提供新路徑。