微生物燃料电池技术的逆向应用.docx

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微生物燃料电池技术的逆向应用

基于生物抑制的水质毒性快速检测生物传感器

学科:

环境分析

北京市陈经纶中学刘师垚

高二年级

基于生物抑制的水质毒性快速检测生物传感器

目录

摘要………………………………………………………………………………2

1.前言……………………………………………………………………………3

1.1选题是怎样产生的…………………………………………………………………3

1.2国内外研究现状的调查与借鉴....................................………………………………3

1.3本研究应用的理论基础................……………………………………………………4

1.4我的研究设想与需要解决的问题……………………………………………………5

2.研究内容…………………………………………………………………………6

2.1技术路线的设计………………………………………………………………6

2.2具体研究内容………………………………………………………………7

3.实验材料与实验方法…………………………………………………………………7

3.1水质毒性传感器设计与制作...................................………………………………7

3.2人工配水和清洗液的配备..........................................………………………10

3.3微生物培养及驯化…………………………………………..............……………11

3.4样品检测……………………………………………………………11

4.实验结果与讨论…………………………………………………………………12

4.1传感器的启动与运行……........….....…………………………………………12

4.2检测条件的确定与优化………...……………………………………13

4.3人工配水检测……………………………………………………………15

4.4实际水样检测........……......……………………………………………18

4.5结果分析........……......……………………………………………19

5.结论………………………………………………………………………………19

6.本研究创新点…………………………………………………………………19

7.下阶段研究设想………………………………………………………………20

研究后记

致谢

参考文献

基于生物抑制的水中毒性物质快速检测生物传感器

摘要

水中含有有机质,富含有机质的水在微生物燃料电池中能够产生电流。

但当水被污染或者有毒物质进入水中时,微生物的产电能力受到抑制,电流会下降。

如果我长期用一个微生物燃料电池在鱼塘中取水,观察微生物燃料电池的产电情况,他的产电数值应该是比较稳定的。

但如果微生物燃料电池某天的产电情况下降,不就可以知道水中是否含有有毒物质了么?

带着这个设想,我研究了这个可检测水中毒性物质的微生物传感器。

创新点:

（1）微生物传感器制作简单,价格低廉,使用方便。

（2）微生物传感器检测效果好，数据稳定。

采用电活性生物膜作为有毒污染物探测器件，当有毒污染物存在时，微生物细胞代谢活动受到抑制，产生的生物电流也因此发生变化，从而实现对待测物质生物毒性的快速检测。

多次检测均取得明显效果。

总之，通过物质之间的相生相克原理，通过有毒物质对微生物活性的影响，我研究出了用微生物传感器检测水中有毒物质的快速检测办法，取得了非常好的效果，对于养鱼业生产中水质的快速检测具有重要影响。

关键词：

生物抑制；水质毒性；微生物燃料电池（MFC）；生物传感器

1.前言

1.1选题的背景

有一次，我看到了一个报道：

某大型养鱼塘出现了大量的死鱼，老板坐在鱼塘边痛哭流涕。

后来查出来，原来是上游的一家化工厂偷偷排放了有毒污水，污水一部分进入养鱼塘，导致鱼死了。

一个疑问出现在我脑海中，鱼塘平时是怎样检测水质的呢？

带着这个疑问，我走访了十几个养鱼塘，他们的办法就是尽量控制外来水进入鱼塘，鱼塘少换水，一旦换水时就要等河水清澈的时候才能换。

如果要检测水质，只有等环保部门带着专业设备才能检测，平时自己是没有检测的。

中国的农业太可怕了，这种粗放的管理怎么能够保证渔业生产安全呢？

真的是靠天吃饭、靠他人的良心吃饭啊！

我一定要研究一个可以让农民方便实用、价格低廉的有毒物质快速检测的装置。

我们学校开设了微生物燃料电池的课程。

一次，在刘老师教我们观察微生物燃料电池的产电量时，有一个同学偷偷的放了点盐进去，突然电池的产电量发生了变化，产电量下降了。

我很惊奇，向老师请教为什么会出现这种情况。

老师分析后告诉我，盐破坏了微生物的活性，导致产电量下降，物质之间有相生相克的原理。

突然一个念头在我头脑中产生了，我可以用一个微生物燃料电池观察鱼塘水的产电量，正常情况下产电量应该是比较稳定的，如果突然产电量降低了，就应该说明有有毒物质进入了鱼塘。

如果真能发现有毒物质，养鱼的人就可以马上采取补救措施了。

于是,我决定开始快速检测水中有毒物质的微生物传感器的研究。

1.2国内外研究现状的调查与借鉴

近年来，大量基于无脊椎动物、植物和微生物等的生物毒性测试方法开始建立并迅速发展。

由于不同生物对不同毒性物质的敏感程度存在差异，因此，在实际应用中，大量处于不同营养级的不同种类的生物常被选作毒性测试的指示生物[1-2]。

（1）蚤类实验

大型无脊椎动物被广泛用作水环境风险评价中慢性毒性测定的指示生物[3-4]。

其中，最常见的大型蚤DaPhnia，具有敏感、繁殖周期短等生理特性，是国际公认的标准试验生物，相关毒性试验被许多国家定为毒性必测项目。

蚤类实验实验现象直观，易观察，但是测试灵敏度低、实验时间长、指示生物保存难。

（3）植物和藻类实验

多种以植物作为受试生物的毒性测定方法己建立并发展起来，但相较之下运用范围较狭窄。

植物毒性测试方法具有成本低、易实现、并能达到毒理学终点（如发芽率、生物量、酶活性等指标）等优点，常用于污泥等固体样品浸出液的毒性测定，但是此类试验所需测试周期较长。

（4）发光细菌实验

用发光细菌来评价废水毒性是基于毒性效应对细菌的发光特性的作用[5]。

发光细菌用来做毒性评价有以下优点:

生物机体小、种群数量大、生长繁殖快、保存简单方便、试验费用低、对环境变化的反应快、生长条件便利，并且同高等动物有着类似的物理化学特性和酶作用过程等特点。

由于发光细菌briofischeri和Photobaceteriumphospohreum均属于海洋生物，在测试过程需要3%NaCl以维持细菌正常生存，对淡水体系样品测试时高浓度Cl-在会影响水样中的一些污染物，尤其是重金属污染物的生物可利用性和毒性顺序。

1.3本研究中应用的理论基础

1.3.1电活性生物膜

生物膜是粘附在固体表面或存在于液体空气界面由微生物和水及微生物分泌的多糖和蛋白质等物质共同构成的代谢活跃的复合体，具有直接或间接的电子传递功能或催化功能的生物膜，可以称为电（化学）活性生物膜。

厌氧条件下，微生物为产生能量维持自身生长，在胞内彻底氧化有机物释放电子，产生的电子经胞内呼吸链传递到胞外电子受体，从而形成了生物电流。

1.3.2微生物燃料电池

微生物燃料电池（MFC），以电活性生物膜作为催化剂来驱动固态电极上的氧化还原反应，从而获得生物电流。

具体原理：

以生物膜为阳极催化剂，以有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被产电微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与氧反应生成水。

图2微生物燃料电池

1.4我的研究设想与需要解决的问题

针对传统水质检测手段不能够反应水质综合生物毒性的不足，我设想以电活性生物膜作为毒性水质探测元器件，当有毒污染物存在时，微生物细胞代谢活动受到抑制，产生的电流也因此发生变化（图3），抑制程度与污染物毒性强度和浓度呈正相关，从而实现对待测物质生物毒性的快速检测。

图3生物抑制型水质毒性检测传感器原理

第一步，以单室空气阴极构型MFC作为反应器主体结构，结合信号采集系统，构建生物抑制型水质毒性传感器；

第二步，优化最佳检测条件（pH值、外接电阻、检测时间、清洗和恢复时间）；

第三步，利用传感器检测样品，计算产电抑制率，建立抑制率与有毒物质浓度之间的线性。

我认为主要解决两个问题，首先是优化传感器检测的最佳条件，其次是利用传感器测量电量，建立线性方程，不断调整，提高样品检测的准确度、科学性等问题。

2.研究内容

本研究技术突破口是开发一种基于生物抑制的水质毒性快速检测传感器，提供一种有毒污染物在线、便捷和经济的检测新方法。

2.1技术路线的设计

使用推广

多水样检测

检测条件优化

传感器启动阶段

（产电微生物驯化、生物膜形成）

传感器制作与组装

传感器设计

文献调研

辅导老师讨论

2.2具体研究内容——我要实现的研究

（1）传感器的设计、制作、改进：

通过多次设计与修改，比较不同构型装置优缺点，选择能够实现简便、低廉、稳定的单室空气阴极型MFC反应器作为传感器核心部件进行重点探究。

（2）传感器检测条件的优化：

连接组装生物抑制型水质毒性传感器，进行水样试验，考察不同影响因素（pH值、外接电阻、检测时间、清洗和恢复时间）下检测结果的稳定性，调整传感器结构，确定最佳检测条件。

（3）人工配水实验：

在优化的检测条件下，使用含有毒物质谷氨酸和葡萄糖标准溶液进行配水运行试验，计算产电抑制率，建立抑制率与有毒物质浓度之间的关系。

（4）实际水样测试：

在确定的最佳检测条件下，测试实际水样。

研究原理

3.实验材料与实验方法

3.1水质毒性传感器设计与制作

我设计的基于生物抑制的水质毒性检测传感器结构如图4所示，包括微生物燃料电池和信号采集装置两大部分。

图4水质毒性检测传感器结构图

（1）MFC反应器是一个长为8.5cm、横断面直径为2cm管体，管壁打孔，有效容积为26.69mL。

阴极置于管体的外侧，阳极在中间，其电极有效面积为53.38cm2，上下端用塑料旋盖封闭。

两电极均由钛线将电流导出，外电路为铜线连接。

（2）以碳毡作阳极，钛线作阳极导线；

（3）以载铂碳碳布（碳布规格：

26.69cm2，铂碳载量：

0.2mg/cm2）作阴极，热压在阳离子交换膜（浙江千秋环保水处理有限公司）上制成“二合一”膜阴极，黏贴在反应池阴极端，缠绕钛线作阴极导线。

（3）MFC反应器外连电阻，以16通道信号采集器（AD8223，北京瑞博华控制技术有限公司）记录输出电压，每2min记录1次。

（4）传感器的组装

在完成好各个部件的制作后，要用导线把各部件连接起来，形成一个回路。

3.2人工配水和清洗液的配制

为了快速、准确的校定仪器，使得数据可靠、准确，我用具有准确比率的多种常见污染物质配备实验液体。

实验采用的标准溶液为GGA溶液，即：

150mg/L谷氨酸和150mg/L葡萄糖，15mg/LKH2PO4，30mg/L（NH4）2SO4，50mg/LMgSO4·7H2O，3.75mg/LCaCl2，0.25mg/LFeCl3·6H2O，5.0mg/LMnSO4·H2O，105mg/LNaHCO3，10mL/L微量元素。

10mL/L微量元素：

1.5g/L氨三乙酸，0.1g/LFeSO4·7H2O，0.1g/LMnCl2·4H2O，0.17g/LCoCl2·6H2O，0.1g/LCaCl2·2H2O，0.1g/LZnCl2，0.02g/LCuCl2·2H2O，0.01g/LH3BO3，0.01g/L钠钼酸盐，0.017g/LNa2SeO3，0.026g/LNiSO4·6H2O，1g/LNaCl，0.1g/LNa2WO4·7H2O。

该标准溶液的BOD为200±10mg/L，pH为7.0±0.2，-20℃冷藏，备用。

阳极液每次更换前需通氮气30min，去除溶解氧，保持阳极室厌氧环境。

含Cd2+阳极液：

取CdSO4溶液（Cd2+浓度为100mg/L）100~800μL，GGA溶液20mL，用阳极清洗液定容至100mL，得Cd2+浓度为0.1~0.8mg/L的阳极液。

含Cu2+阳极液：

取CuSO4溶液（Cu2+浓度为100mg/L）100~800μL，GGA溶液20mL，用阳极清洗液定容至100mL，得Cu2+浓度为0.1~0.8mg/L的阳极液。

阳极清洗液：

不含谷氨酸和葡萄糖的GGA溶液。

3.3微生物培养、驯化

以GGA溶液（pH7.0±0.1，BOD值为200mg/L）为阳极液，接种产电微生物（接种量10%），置于30℃人工气候箱中恒温培养，外接6000Ω，在线记录输出电压。

当电压降至50mV时，更换20mL阳极室GGA溶液，经过15d共5次的阳极液更换后，传感器的输出电压达到稳定，认为微生物传感器启动完毕，进行各项测试。

3.4样品检测

如图13所示，待传感器启动并运行稳定后，用20mL阳极清洗液清洗阳极室，当输出电压降至40mV时用注射器缓缓注入标准GGA溶液20mL（BOD=40mg/L），反应4h后，注入20mL清洗液，电压降至40mV后再注入待测水样20mL，反应4h后再次清洗，注入标准GGA溶液20mL，反应4h后进入第二轮检测。

注入清洗液目的是为了清洗微生物反应器阳极室内残留GGA溶液或有毒物质，迅速降低输出电压，再次检测标准溶液是为了降低毒性物质对微生物的影响，使传感器恢复到检测前的状态，减少误差。

图13样品检测流程

3.5计算

每次检测完毕，计算产电量，并按下式计算产电抑制率，建立抑制率与有毒物质浓度之间的线性关系。

Ri=（Q1-Q2）/Q1×100%

式中，Ri为产电抑制率，Q1为不含有毒物质的GGA溶液产电量，Q2为含有毒物质的GGA溶液产电量。

传感器恢复与第一次标准溶液检测时产电量（4h）误差不超过5%时进入第二轮检测。

当Ri=20%时，被检测溶液的有毒物质浓度为IC20（即20%抑制浓度）。

4.实验结果与讨论

电活性生物膜在不利因素影响下易导致产生的生物电流强度改变（图14）。

各种污染物可通过抑制微生物细胞内各种酶的活性或呼吸代谢过程，从而影响电子的传递，致使电流强度减弱，抑制程度与污染物毒性强度和浓度呈正相关。

注入水样

有毒物质

注入含有毒物质的水样

图14基于生物抑制的水质毒性检测原理

4.1传感器的启动与运行

以BOD值为200mg/L的GGA溶液（pH7.0）作为阳极液，注入微生物反应器后接种产电微生物，置于30℃人工气候箱中恒温培养，外接电阻3kΩ，在线记录输出电压。

当电压降至30mV时，以新鲜的GGA溶液更换阳极液，经过了15天共5次的阳极液更换后，传感器的输出电压达到稳定，说明启动成功。

电压输出稳定时，测得传感器不同外电阻（100Ω~30kΩ）时的输出电压，求得输出功率，绘制极化曲线。

由欧姆定律知，输出功率最大时内阻等于外阻，可由此估算反应器内阻。

由图15可见，外阻为12kΩ时，输出功率密度达到最大值（145.15mW/m2），因此，传感器内阻约12kΩ。

图15传感器功率密度和输出电压与电流密度的关系

4.2检测条件的确定与优化

4.2.1阳极液pH值的影响

微生物生理生化反应对pH值有一定的要求，阳极液过高或过低的pH值都会抑制微生物细胞内各种酶的活性或呼吸代谢过程，最终导致传感器检测结果失准。

此外，在微生物分解有机物过程中，会产生大量的酸性代谢产物，降低阳极液pH值。

因此，应当在水样中加入一定浓度的缓冲液，以控制溶液的pH值。

以BOD为100mg/L的GGA溶液为阳极液，外接电阻3kΩ，考察了pH值为6.0、7.0和8.0的磷酸缓冲液对传感器输出电压的影响，由图16可知，pH值为7.0时输出电压最高，信号稳定时间最长，对检测结果最为有利。

图16阳极液pH值对传感器输出电压的影响

4.2.2外接电阻的影响

以BOD值为100mg/L的GGA溶液作为阳极液，改变外接电阻（1kΩ、2kΩ、3kΩ、12kΩ），考察外接电阻对输出功率的影响。

如图17所示，外接电阻越大，输出电压越高，由仪器等引起的误差就越小。

但外接电阻增大，传感器电压达到最大值的时间也随之延长，从而延长检测时间（如果检测期间电压没有达到最大值，因电压处于上升阶段时，上升幅度相差不大，会影响检测效果），达不到快速检测的效果。

因此，本文选择较适宜的外阻为12kΩ。

图17不同外接电阻下传感器电压输出动态

4.2.3检测时间的影响

检测时间和清洗时间是设计传感器的2个重要指标。

快速测定是传感器的根本任务，但测定时间太短，生化反应不完全，信号不明显，影响测定结果的准确性；测定时间太长，达不到快速测定的目的，不利于应用。

因此，最大限度地对传感器的准确性和测定速度进行优化，是传感器设计的一个重要方面。

传感器外接电阻6kΩ，阳极标准溶液BOD为40mg/L，以检测镉离子为例（其离子浓度分别为0.05~0.8mg/L），按不同检测时间绘制标准曲线，由图18可知，当检测时间为4h时，线性关系最好。

图18不同检测时间的标准曲线

4.2.4清洗和恢复时间的影响

当连续检测多个样品时，为了使检测初始条件一致，减少误差，需要对传感器微生物反应器阳极室进行清洗，清除其残留有机物。

本研究设定输出电压信号降为40mV时才能进行下次检测，具体方法是：

向阳极室中注射20mL充氮排氧的阳极清洗液，由于清洗液中不含BOD，故传感器的输出电压会迅速降低。

图19反映了不同清洗时间下电压信号的下降幅度，可以看出，经过2~10min的清洗（图19中的每个电压信号数据点相当于2min），电压会降至设定的标准（即40mV），每次检测含毒性离子溶液后，再次注入GGA溶液使传感器中微生物恢复到检测前的状态，由图可以看出，经过一个周期（4h）的反应，传感器基本恢复到检测前的状态。

本实验采用混合菌种作阳极催化剂，其适应性强，清洗时间为2~10min，恢复时间4h。

a:

GGA标准溶液b:

被测液c:

清洗液

图19清洗和恢复时间对检测的影响

4.3人工配水检测

4.3.1镉离子的检测

以BOD值为40mg/L的GGA溶液作标准溶液，分别检测Cd2+浓度为0.05~0.8mg/L的待测溶液（BOD值为40mg/L），制作标准曲线（图20）。

由图20（b）可知，在Cd2+浓度为0.1~0.5mg/L时，其抑制率与Cd2+浓度显著相关（R2=0.996）,由图20（c）可知，镉离子IC20值为0.6mg/L。

（a）传感器测定标液的电压-时间关系图

（b）抑制率与Cd2+浓度（0.05~0.8mg/L）线性关系

（c）抑制率与Cd2+浓度（0.1~0.5mg/L）线性关系

图20镉离子检测

4.3.2铜离子的检测

用BOD值为40mg/L的GGA溶液作标准溶液，分别检测Cu2+浓度为0.1~0.8mg/L的待测溶液（BOD值为40mg/L），制作标准曲线（图21）。

由图21（b）可知，在Cu2+浓度为0.1~0.5mg/L时，其抑制率与Cu2+浓度显著相关（R2=0.9744），由图21（c）可知，铜离子IC20值为0.8mg/L。

（a）传感器测定标液的电压-时间关系图

（b）抑制率与Cu2+浓度（0.1~0.5mg/L）的线性关系

（c）抑制率与Cu2+浓度（0.1~0.8mg/L）的线性关系

图21铜离子检测

4.3.3镉离子与铜离子混合溶液的检测

以BOD值为40mg/L的GGA溶液作标准溶液，分别检测Cd2+、Cu2+浓度均为0.05~0.3mg/L的待测溶液（BOD值为40mg/L），制作标准曲线（图22）。

由图22（b）可知，在Cd2+、Cu2+浓度均为0.05~0.25mg/L时，其抑制率与Cd2+、Cu2+浓度显著相关（R2=0.9907）,其IC20值为0.2mg/L。

与单独的Cd2+、Cu2+相比，两种离子的混合溶液对微生物产电的抑制率更高，说明Cd2+、Cu2+复合会产生协同毒性作用。

（a）传感器测定标液的电压-时间关系图

（b）抑制率与Cd2+浓度的线性关系

图22镉离子与铜离子的检测

4.4实际水样检测

4.4.1水样

图23我取的水样图24实际水样测试

4.5.结果分析

单一重金属离子溶液中，Cd2+、Cu2+浓度为0.1~0.5mg/L时，其抑制率与有毒物质浓度的线性关系最好，Cd2+、Cu2+混合溶液中，Cd2+、Cu2+浓度为0.05~0.25mg/L（Cd2+、Cu2+浓度相等）时，其抑制率与有毒物质浓度的线性关系最好，三种溶液IC20值分别为0.6mg/L，0.8mg/L，0.25mg/L；检测5种水样，结果如图24所示，第一个样品抑制较小，其它4个样品均呈现明显的抑制作用，说明样品1毒性较低，而其它4个样品均有较强的毒性。

综上所述，基于生物抑制的水质毒性检测传感器可用于水中有毒物质的快速检测，其操作简单，灵敏度较高。

5.结论

（1）我研制的水质毒性快速检测传感器结构简单，操作方便，灵敏度较高，可用于水质毒性的快速检测，有望替代传统发光细菌法。

（2）新的生物毒性快速传感器检测时间4h，清洗时间2~10min，恢复时间4h。

（3）新的传感器分别检测含Cd2+、Cu2+和两种毒性离子的混合溶液，检测结果显示三种溶液IC20值分别为0.6mg/L，0.8mg/L，0.25mg/L，对传感器生物电流的抑制率与其浓度呈显著线性关系，相关系数分别为0.996、0.9744和0.9907；该传感器也可用于实际水样检测。

6.本研究创新点

（1）通过生物之间的相互抑制,提出了通过检测生物电流实现水质生物毒性快速检测的新思路，并且采用电活性生物膜作为有毒污染物探测器件，解决了传统水质毒性检测方法灵敏度差，检测时间长，指示生物难以保存的缺陷；

（2）采用空气阴极单室构型MFC作为检测装置主体结构，具有成本低廉，操作简单，维护方便的优点；

（3）优化与确定了该传感器的检测条件，考察了它对人工配水和实际水样的检测效果，探索出了一种鱼塘水质毒性快速检测的新方法。

7.下阶段研究设想

（1）如何提高该传感器的运行稳定性，以及对野外各种实际废水的检测效果；

（2）扩大该传感器的应用范围，即除了用于水质毒性在线监测以外，还考察其是否可用于废水、底泥、土壤样品的生物毒性检测；

（3）在水质监测站的实际、长期运行。

研究后记

水质毒性检测传感器研制是国内外热门、前沿的研究领域。

本次研究经历使我与前沿科技亲密地接触了一回，实时感受了“科学技术转化为生产力”的魅力。

在研究中我克服了许多困难，学会了查阅文献的基本方法，努力去熟悉和使用科研设备，向