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1基于生物抑制的水质毒性快速检测生物传感器目录摘要………………………………………………………………………………21.前言……………………………………………………………………………31.1选题是怎样产生的…………………………………………………………………31.2国内外研究现状的调查与借鉴....................................………………………………31.3本研究应用的理论基础................……………………………………………………41.4我的研究设想与需要解决的问题……………………………………………………52.研究内容…………………………………………………………………………62.1技术路线的设计………………………………………………………………62.2具体研究内容………………………………………………………………73.实验材料与实验方法…………………………………………………………………73.1水质毒性传感器设计与制作...................................………………………………73.2人工配水和清洗液的配备..........................................………………………103.3微生物培养及驯化…………………………………………..............……………113.4样品检测……………………………………………………………114.实验结果与讨论…………………………………………………………………124.1传感器的启动与运行……........….....…………………………………………124.2检测条件的确定与优化………...……………………………………134.3人工配水检测……………………………………………………………154.4实际水样检测........……......……………………………………………184.5结果分析........……......……………………………………………195.结论………………………………………………………………………………196.本研究创新点…………………………………………………………………197.下阶段研究设想………………………………………………………………20研究后记致谢参考文献2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31.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4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图1电活性生物膜5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H2OO2-有机物HH＋-e-阳极质子交换膜阴极微生物e＋eH2OO2-有机物HH＋-e-阳极质子交换膜阴极微生物H2OO2-有机物HH＋H＋-e-e-阳极质子交换膜阴极微生物e＋ee＋e6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传感器设计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）传感器制作与组装文献调研辅导老师讨论72.2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83.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。图5MFC制作材料图6MFC反应器制作9（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。图9粘合胶水图8MFC阴极材料图7MFC阳极材料10（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。图10MFC反应器阴极制作图11数据采集器图12MFC反应器连接113.2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