甲烷（CH4）是仅次于二氧化碳（CO2）的第二大温室气体，其在20年内的全球变暖潜力是CO2的84倍（Thanigaivel等人，2022年；Wen和Song，2022年；Zhang，2022年；Orege等人，2022年；Li等人，2023年）。大量的甲烷排放来源于自然生态系统，如湖泊、湿地、稻田和陆地渗漏系统。仅湖泊的甲烷排放就约占全球总甲烷排放量的四分之一（Cavicchioli等人，2019年；Ahila等人，2014年；Hinrichs等人，1999年；Jiang等人，2008年），这与产甲烷古菌的代谢活动密切相关（Juottonen等人，2006年）。产甲烷古菌通过涉及氢、甲基或乙酸的独特代谢途径将复杂的有机物质转化为甲烷（Greening等人，2016年）。此外，这些古菌还以引起腐蚀而闻名，尤其是在油气田中，它们通过直接从金属中捕获电子来维持自身的代谢（Wu等人，2024年）。鉴于它们在甲烷生成和金属腐蚀中的核心作用，实时监测产甲烷古菌的数量和生理状态对于温室气体风险评估以及建立微生物诱导腐蚀的早期预警系统至关重要。
目前，产甲烷古菌的定量检测主要依赖于针对16S rRNA基因或mcrA功能基因的定量实时荧光PCR（qPCR）（Aydin等人，2015年）。尽管这种方法具有高度特异性和灵敏度，但它存在一些固有的缺点：操作繁琐、成本高昂，并且无法区分活细胞、死细胞或休眠细胞，从而导致潜在的假阳性或假阴性结果（Ottesen等人，2006年）。许多研究表明，微生物中特征性辅因子或功能酶的浓度与其数量和代谢活性密切相关。原则上，可以通过靶向这些生物标志物来实现活微生物的定量分析（Liu等人，2023年；Li等人，2015年；Bai等人，2021年）。辅酶F420是8-羟基-5-脱氨烟酰胺的衍生物，在所有已知的产甲烷古菌中含量较高，但在非产甲烷微生物中也存在微量（Gorris和van der Drift，1994年；Schauer和Ferry，1986年；Greening等人，2016年）。在依赖氢的产甲烷途径中（占自然界甲烷产量的70%以上），F420作为关键的低电位电子载体参与CO2的逐步还原过程，使其成为产甲烷古菌的独特生物标志物（DiMarco等人，1990年）。一些研究利用F420的自荧光特性或F420H2还原形式与氢化酶之间的竞争反应来推断产甲烷系统中的原位氢分压（Purwantini和Mukhopadhyay，2009年）。据我们所知，目前尚无全面的研究利用测量的F420浓度作为环境栖息地中产甲烷古菌数量和代谢活性的直接定量指标。
电化学生物传感器由于其高灵敏度、快速响应和现场检测能力，在活微生物和功能分子的检测方面显示出巨大潜力（Kilic等人，2023年；Patel等人，2022年）。最近，使用电活性细菌作为生物模板和信号放大单元的仿生混合策略在电化学生物传感领域引起了广泛关注（Price和Boyd，2020年；Yu等人，2019年；Gao等人，2022年）。在自然厌氧生态系统中，SRB和产甲烷古菌在硫酸盐-甲烷转化区常常表现出竞争-共生关系（Yang等人，2008年）。本研究提出了一种在含有Desulfovibrio属 SRB的微生物反应介质中制备硫化铜包覆的硫酸盐还原菌（CuxS@SRB）纳米杂交体的创新方法。我们利用SRB代谢产生的硫化物作为硫源，SRB作为生物模板，并在SRB孵育培养过程中逐渐形成的还原微环境，具体来说，我们观察到在向微生物介质中引入适量Cu2+后，原位生长CuxS（x=1-2）纳米颗粒，成功获得了CuxS@SRB生物纳米杂交体。这种生物纳米杂交体对辅酶F420表现出高度敏感的电化学线性响应，同时具有优异的选择性、重现性和长期稳定性。这使我们能够基于F420的定量结果建立电化学信号与产甲烷古菌数量之间的关联。这种新方法可以有效检测实际环境中的活跃产甲烷古菌种群。总之，我们通过原位表征、电化学阻抗谱分析、吸附动力学实验和密度泛函理论（DFT）计算揭示了F420与生物纳米杂交体之间的特定化学吸附作用。
