水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測及自動預警裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測及自動預警裝置，該裝置包括生物傳感器，用于感應由于引入水體中有毒物質(zhì)而引起的電流變化；連接管；液體輸送泵；水力旋流器；在線脫氣機；三通閥；樣品采集器；恒電位儀；儲液罐；恒溫箱；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；計算機和控制系統(tǒng)，用于控制整個裝置的運行；預警器；計算機和控制系統(tǒng)分別和液體輸送泵、在線脫氣機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、恒溫箱、三通閥及預警器連接；生物傳感器通過連接管與液體輸送泵、水力旋流器、三通閥和儲液罐連接。本實用新型具有靈敏度高、檢測時間短（檢測時間小于10 min）及操作簡單等優(yōu)點，可在線檢測水體中有毒物質(zhì)，并自動預警，大大提高了監(jiān)測預警水平。
【專利說明】
水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測及自動預警裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種用生物方式來監(jiān)測水體中有毒物質(zhì)的裝置。具體而言，本實用新型涉及用生物電化學技術對水體中有毒物質(zhì)進行在線自動監(jiān)測及自動預警裝置。
【背景技術】
[0002]隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，人工合成化學物質(zhì)的種類及用量急劇增加，農(nóng)藥、化肥、重金屬、工業(yè)廢水、生活垃圾等大量排入環(huán)境，對環(huán)境造成了嚴重污染，這些物質(zhì)在環(huán)境中經(jīng)過復雜的物理、化學和生物轉化過程，又會形成新的污染物，一些污染物還可能進入食物鏈并在生物體內(nèi)蓄積，最終對生物圈產(chǎn)生各種各樣的毒性效應，給生態(tài)環(huán)境和公眾健康造成嚴重威脅。
[0003]迄今為止，許多研究者已經(jīng)開發(fā)出早期的用于水體中有毒物質(zhì)進入水中的檢測方法和警報裝置。在這些傳統(tǒng)的用于測定水體中有毒物質(zhì)的方法中，有理化方法和生物學方法。前者可以定量分析水中某一種或某一類污染物的含量，而污染物的綜合毒性往往不是每種單一水體中有毒物質(zhì)毒性的簡單疊加，因此這種方法不能直接、全面地反映水體中各種有毒物質(zhì)的聯(lián)合毒性作用，因此其應用范圍受到限制。此外，該類方法往往需要對待測樣品進行復雜、耗時的前期預處理才能進行后續(xù)檢測，因此該類方法一般不適合在線檢測，也起不到早期預警的作用。它的缺點還在于需要昂貴的設備和高度熟練的工程師以進行檢測。
[0004]為了彌補這一缺陷，人們開發(fā)了各種用于檢測水體中有毒物質(zhì)的生物方法與裝置。具有代表性的傳統(tǒng)的用于水體中有毒物質(zhì)的生物檢測裝置包括一些監(jiān)控方法，這些監(jiān)控方法中采用了魚、水蚤及一些發(fā)熒光的微生物等。
[0005]魚類對水環(huán)境的變化十分敏感，當水體中有毒物質(zhì)達到一定質(zhì)量濃度時，就會引起一系列中毒反應，因而被廣泛用于毒物和廢水的生物監(jiān)測、評價。用魚進行水質(zhì)監(jiān)控的裝置利用了魚游動的性質(zhì)，即它把逆流現(xiàn)象用于檢測。安裝一個防漏網(wǎng)后，當水體中有毒物質(zhì)從入水口進入時，魚受到影響，其游動就會減慢。由于水流的緣故魚被推回，出于本能魚猛烈地擺動尾鰭以向前游動，在這個過程中尾鰭就會觸動感應器。這個反應轉變成電子信號并記錄下來，用水質(zhì)監(jiān)控裝置檢測電子信號的值，并用于給出警報或由連接的控制器來控制水的流速，這一信息通過顯示器或鍵盤輸出/輸入。用于此目的的魚通常屬于鯉科魚的一種金魚。用魚來檢測水體中有毒物質(zhì)的不足在于檢測毒性的物體太大，當8 ppm的苯酚流入水中時它需要8小時來測定毒性。利用魚來進行生物毒性預警系統(tǒng)的方法靈敏度低，而且檢測時間長、誤差范圍大。魚的選擇和生長環(huán)境降低了預警系統(tǒng)的可重復性和同一性。
[0006]水蚤是浮游動物中體形較小的一類，以藻類、真菌、碎肩物及溶解性有機物為食，分布廣泛，繁殖能力強，同時對多種水體中有毒物質(zhì)敏感，是國際上普遍采用的標準毒性實驗生物。用水蚤來檢測水體中有毒物質(zhì)的裝置應用紅外感應器來感應水蚤在水中的活動。它以水蚤的游動為基礎，把20只水蚤放入玻璃或丙烯酸樹脂試驗皿中，被檢測的水引入到該試驗皿中并從該試驗皿排放。當注入水時，水蚤會有反應。當水體中沒有有毒物質(zhì)時，它們表現(xiàn)正常的活動；當水體中含有有毒物質(zhì)時，它們的運動就變得沒有規(guī)律而且激烈起來。它們表現(xiàn)的活動越激烈則它們觸動紅外感應器就越頻繁，使電子信號的值增加。溫度感應器一直測定溫度，電子控制器控制紅外感應器并通過一個輸出裝置顯示電子信號的值。早期使用水蚤的預警裝置比用魚的靈敏度高，這是由于使用的物體較小，但是裝置的維護比較困難。當換水蚤時，用來進水或出水的試驗皿和各種試管都要清洗或更換。由于生長用水需要一周換2到3次，因此對水蚤的生長需要特別小心和留意，需要仔細地將懷孕的和母體水蚤分離出來。必須在一個特殊生長室中培養(yǎng)水蚤，該生長室的內(nèi)部需要消毒，要除去有礙生長的設備。在生長室中必須提供新鮮空氣。
[0007]一些發(fā)光細菌也可以用于自動檢測水體中有毒物質(zhì)。發(fā)光細菌在正常條件下能發(fā)出一定強度及波長的光，許多水體中有毒物質(zhì)可抑制其發(fā)光強度，通過測定發(fā)光強度變化可以實現(xiàn)水體中有毒物質(zhì)的檢測。利用發(fā)光細菌自動檢測水體中有毒物質(zhì)的裝置需要各種光檢測裝置，這使得它昂貴而且需要人員和專家來維護。此外，利用發(fā)光細菌法檢測水體中有毒物質(zhì)具有發(fā)光強度本底值差異較大，檢測期間發(fā)光變化幅度寬的問題。此外，也有用微生物燃料電池技術檢測水中有毒物質(zhì)的方法和裝置(CN1646696A，CN102636545A)，但是該方法中的功能微生物必須以葡萄糖、乙酸等有機質(zhì)物質(zhì)為底物，而葡萄糖、乙酸等有機質(zhì)物質(zhì)極易染菌而不易保存，從而導致該類裝置需要經(jīng)常維護，使裝置的可操作性和穩(wěn)定性下降。
[0008]這些傳統(tǒng)的用于水體中有毒物質(zhì)的自動檢測方法和裝置的問題最終來源于感應器部分，本實用新型正是基于這一事實而提出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本實用新型需要解決的技術問題就在于克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測方法及自動預警裝置，它是一種低價、易維護的、快速準確的毒性測定方法，并可實現(xiàn)自動預警。
[0010]為解決上述問題，本實用新型采用如下技術方案:
[0011]本實用新型提供了一種水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測方法及自動預警裝置，包括生物傳感器，用于感應由于引入水體中有毒物質(zhì)而引起的電流變化;連接管;液體輸送栗；水力旋流器;在線脫氣機;三通閥；樣品采集器;儲液罐、恒溫箱;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);計算機和控制系統(tǒng)，用于控制整個裝置的運行;及預警器;計算機和控制系統(tǒng)分別和液體輸送栗、在線脫氣機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、恒溫箱、三通閥及預警器連接;生物傳感器通過連接管及液體輸送栗、水力旋流器、三通閥和儲液罐連接。
[0012]生物傳感器通過連接管與液體輸送栗、水力旋流器、樣品自動稀釋器、靜態(tài)混勻器、在線脫氣機及儲液罐連接。
[0013]生物傳感器可為雙室微生物燃料電池、單室微生物燃料電池、雙室微生物電解池、單室微生物電解池。生物傳感器陽極室中的陽極電極表面附著的功能微生物可為電活性甲燒氧化菌、電活性厭氧氨氧化菌(ΑΝΑΜΜ0Χ菌:Anaerobic Ammonium Oxidat1n Bacteria)。
[0014]所述功能微生物可以以水底沉積物、活性污泥及厭氧消化污泥為接種物富集獲得。
[0015]本實用新型所述水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測方法及自動預警裝置的生物傳感器為雙室微生物電解池，包括陽極室和陰極室，陽極室和陰極室之間設置有分隔膜，所述分隔膜為質(zhì)子交換膜、陽離子交換膜或雙極膜；陽極室和陰極室內(nèi)分別放置陽極電極和陰極電極;所述微生物電解池以惰性鍍鉑導電材料或鉑材料為陰極電極、導電惰性材料(碳布、碳紙、石墨氈、網(wǎng)狀玻璃碳或碳纖維刷)為陽極電極；陽極電極和陰極電極間通過鈦絲、導線、恒電位儀及電阻連接。
[0016]陽極室通過連接管與液體輸送栗、樣品自動稀釋器、靜態(tài)混勻器、在線脫氣機、儲液罐及采樣栗連接。
[0017]陽極室連接管上連接有樣品收集器。
[0018]陰極室通過連接管與液體輸送栗和儲液罐連接。
[0019]所述的水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測方法及自動預警裝置包括恒電位儀，恒電位儀低電位端通過導線與電阻相連，電阻通過鈦絲與陰極電極相連，恒電位儀的高電位端通過鈦絲與陽極電極相連，電阻兩端連接一個用于測定電阻兩端電壓的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0020]所述的水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測方法及自動預警裝置，其恒電位儀輸出的直流電壓范圍為0.2?3.0 V0
[0021 ]所述的水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測方法及自動預警裝置，其特征在于:進入微生物電解池陽極室的樣品溶液的流量范圍為0.1?100 mL/min。
[0022]所述的水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測方法及自動預警裝置，裝置上的所有輸送栗、采樣栗、樣品自動稀釋器、在線脫氣機、恒溫箱及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均和計算機控制系統(tǒng)連接;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電阻并聯(lián)，用于采集電阻兩端的電壓。
[0023]所述微生物電解池安裝于一個恒溫箱內(nèi)。
[0024]所述的水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測方法及自動預警裝置，其陽極室功能微生物培養(yǎng)過程中不需要添加葡萄糖等有機物，因而極大地提高了裝置的可操作性，并降低了裝置的維護要求。
[0025]當陽極室功能微生物為電活性甲烷氧化菌時，只需要在基本無機培養(yǎng)基(包括磷酸鹽緩沖液、微量元素及微量維生素)的基礎上補充CH4就能維持陰極室功能微生物的生長和活性；當陽極室功能微生物為電活性ΑΝΑΜΜ0Χ菌時，只需要基本無機培養(yǎng)基(包括磷酸鹽緩沖液、微量元素、微量維生素及厭氧氨)就能維持陰極室功能微生物的生長和活性。
[0026]本實用新型同時提供了一種水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測方法，包括下述步驟:
[0027]a.將電活性功能微生物培養(yǎng)基(其中含有的微生物底物濃度恒定，且相對電活性功能微生物來說底物濃度是飽和的)與待測樣品按固定的比例混合經(jīng)脫氣后連續(xù)不斷地加入到微生物電解池的陽極室中，由于底物濃度恒定，且待測樣品中不含有毒物質(zhì)，此時微生物電解池陽極室中的電活性功能微生物代謝有機物使微生物電解池產(chǎn)生穩(wěn)定的電信號；
[0028]b.將電活性功能微生物培養(yǎng)基(其中含有的微生物底物濃度恒定，且相對電活性功能微生物來說底物濃度是飽和的)與待測樣品(含有有毒物質(zhì))按固定的比例混合經(jīng)脫氣后連續(xù)不斷地加入到微生物電解池的陽極室中，當待測樣品中含有有毒物質(zhì)的濃度達到一定值時，此時微生物電解池陽極室中的電活性功能微生物因受到毒害其活性受到抑制，從而導致微生物電解池產(chǎn)生的電信號顯著減弱，此時預警系統(tǒng)在自動發(fā)出警報的同采集有毒樣品以便采用其他方法對含毒樣品進行深入分析。
[0029]因此，依據(jù)本實用新型，當待測樣品中含有有毒物質(zhì)的濃度達到一定值時，微生物電解池陽極電極表面附著的功能微生物因受到毒害其活性就會受到抑制，從而導致微生物電解池產(chǎn)生的電信號顯著減弱，此時預警系統(tǒng)在自動發(fā)出警報。
[0030]本實用新型微生物電解池陽極室功能微生物培養(yǎng)過程中不需要添加葡萄糖等有機物，因而極大地提高了裝置的可操作性，并降低了裝置的維護要求。
【附圖說明】
[0031]圖1為用于在線監(jiān)測水體中有毒物質(zhì)及自動預警裝置的結構示意圖。
[0032]圖2為實施例1的結果圖。
[0033]圖3為實施例2的結果圖。
[0034]圖4為實施例3的結果圖。
[0035]圖5為實施例4的結果圖。
[0036]通過下面的詳細說明并結合附圖，可以更清楚地理解本實用新型的上面的及其他的目的、特征和優(yōu)點。
【具體實施方式】
[0037]實施例1
[0038]1.用于在線監(jiān)測水體中有毒物質(zhì)的裝置的結構及微生物電解池感應器的設計與組裝
[0039]圖1是用于水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測及自動預警裝置的一個圖解說明，所述裝置包括:連接管1、采樣栗2、連接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、連接管6、蠕動栗
7、連接管8、三通閥9、連接管1、儲液罐11、連接管12、蠕動栗13、連接管14、在線脫氣機15、連接管16、微生物電解池17、微生物電解池陽極電極18、排液管19、導氣管20、分隔膜21、導氣管22、恒溫箱23、儲液罐24、連接管25、蠕動栗26、連接管27、微生物電解池陰極電極28、排液管29、鈦絲30、電阻31、導線32、恒電位儀33、鈦絲34、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)35、連接管36、樣品收集器37、報警器38及計算機和控制部分39。
[0040]以下對具有上述結構的用微生物電解池來測定水體中有毒物質(zhì)的裝置的工作原理進行說明。
[0041 ]裝置中恒電位儀3 3的高電位端通過鈦絲34與微生物電解池17的陽極電極18相連，低電位端通過導線32、電阻31及鈦絲30與微生物電解池17的陰極電極28相連，恒電位儀33的直流輸出電壓設為1.0 V，從而促使在微生物電解池17陽極室中發(fā)生有效的生物電化學反應。
[0042]計算機和控制部分39分別對采樣栗2、蠕動栗7、三通閥9、蠕動栗13、在線脫氣機15、恒溫箱23、蠕動栗26、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)35及預警器38進行控制。
[0043]待測樣品通過連接管1、采樣栗2、連接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、連接管6、蠕動栗7、連接管8、三通閥9及連接管10進入在線脫氣機15;同時儲液罐11中的培養(yǎng)基經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14及連接管10也進入在線脫氣機15，脫氣后經(jīng)連接管16從微生物電解池17的陽極室的側底部進入陽極室，流經(jīng)陽極室后通過排液管19從陽極室的側頂部排出；與此同時，CH4和N2混合氣體(V: v=20:80)(當陽極功能微生物為電活性ΑΝΑΜΜ0Χ菌時只需要N2)通過導氣管20進入微生物電解池17的陽極室。陽極室里有陽極電極18及附著在陽極電極表面能氧化CH4產(chǎn)生電子和質(zhì)子的電活性甲烷氧化菌或能氧化NH3(或NH4+)產(chǎn)生電子和質(zhì)子的電活性ANAMMOX菌(陽極功能微生物)。
[0044]與此同時，儲液罐24中的電解質(zhì)溶液通過連接管25、蠕動栗26及連接管27從微生物電解池17的陰極室的側底部進入陰極室，流經(jīng)陰極室后通過排液管29從陰極室的側頂部排出。陰極室里有鉑陰極電極28。也就是說，待測樣品與培養(yǎng)基經(jīng)脫氧后同時進入微生物電解池17的陽極室，而電解質(zhì)溶液進入微生物電解池17的陰極室。此時，微生物電解池17陽極室的電活性甲烷氧化菌氧化甲烷產(chǎn)生質(zhì)子、電子和CO2 (或電活性ANAMMOX菌氧化NH3 (或NH4+ )產(chǎn)生電子和質(zhì)子)；在恒電位儀33提供的直流外加電壓的作用下，甲烷(或NH3、NH4+)氧化產(chǎn)生的電子傳遞到陽極電極18后經(jīng)鈦絲34、恒電位儀33、導線32、電阻31及鈦絲30傳遞到微生物電解池17陰極室的陰極電極28;甲烷(或NH3、NH4+)氧化產(chǎn)生的質(zhì)子經(jīng)微生物電解池17中的分隔膜從微生物電解池17陽極室迀移到微生物電解池17陰極室的陰極電極28表面附近;電子和質(zhì)子在微生物電解池17陰極電極表面結合形成氫氣，從而產(chǎn)生電流;陰極室不斷通入純N2。
[0045]流經(jīng)電阻31的電流由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)35采集后輸入到計算機和控制部分39。一般情況下，當進入微生物電解池17陽極室CH4(或NH3、NH4+)的量和恒電位儀33的輸出電壓固定時，微生物電解池17產(chǎn)生的電流不表現(xiàn)任何變化，然而一旦有水體中有毒物質(zhì)進入陽極室，陽極室中電活性甲烷氧化菌(或電活性ANAMMOX菌)的活性會受到抑制，代謝就會減慢，其氧化甲烷(或NH3、NH4+)的速率就會降低，最終導致微生物電解池17產(chǎn)生的電流驟減，此時計算機和控制部分39處理這樣的電流驟減而激活音頻或視頻預警器38。同時三通閥9與連接管36連通，含有有毒物質(zhì)的樣品進入到樣品收集器37。與此同時，儲液罐11中的大量培養(yǎng)基經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14、連接管10、在線脫氣機15及連接管16進入微生物電解池17的陽極室對有毒物質(zhì)進行稀釋和沖洗，以減少有毒物質(zhì)對陽極室功能微生物(電活性產(chǎn)甲烷菌或電活性ANAMMOX菌)的毒害。
[0046]微生物電解池主要包括陽極室、陰極室、雙極膜、石墨氈陰極電極、鍍鉑鈦網(wǎng)陽極電極、硅膠密封圈及不銹鋼螺絲固定螺絲。微生物電解池的陽極室和陰極室分別由一塊聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板(60X100X20 mm)構成，每塊板中間雕刻形成一個20X60X8 mm的空腔，且微生物電解池的陽極室和陰極室之間用雙極膜隔開。陽極室和陰極室都分別設有進水管及出水管(直徑3 mm)。陽極室中固定有石墨租陽極電極(20 X 50 X 5 mm,GFseries, Electro-synthesis C0., USA)，而陰極室中固定有鍍鈾鈦網(wǎng)陰極電極(18 X 50 X2 mm，表面積約為25 cm2)。石墨氈陽極電極在使用之前先用丙酮浸泡過夜，干燥后用Imol/L的鹽酸浸泡24 h，然后再用蒸餾水沖洗至中性后待用。鍍鉑鈦網(wǎng)陰極電極使用前用
0.5 mol/L的硝酸溶液清洗。先將鍍鉑鈦網(wǎng)陰極電極和石墨氈陽極電極分別固定在陰極室和陽極室內(nèi)，然后依次分別將硅膠密封圈、雙極膜、硅膠密封圈及陰極室置于陽極室上，再用不銹鋼螺絲固定。鍍鉑鈦網(wǎng)陰極電極與石墨氈陽極電極之間通過鈦絲(直徑0.3 mm)與恒電位儀和電阻(1.1 Ω )相連，其中恒電位儀的高電位端與石墨氈陽極電極相連，恒電位儀的低電位端通過導線、電阻及鈦絲與鍍鉑鈦網(wǎng)陰極電極相連，恒電位儀的直流輸出電壓設為1.0 V。電阻兩端連接一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(myDAQ，上海恩艾儀器有限公司)，用于測定流經(jīng)電阻的電流。
[0047]2.微生物電解池陽極電極表面電活性甲烷氧化菌功能微生物的富集
[0048]①電活性甲烷氧化菌的富集
[0049]電活性甲烷氧化菌培養(yǎng)基I組成(每升溶液含):Mn02 5 g，F(xiàn)e (OH)3 5 g； NaHCO32.5 g；NH4Cl 0.25 g；NaH2PO4.H2O 0.6 g；KC10.1 g；ffolfe 微量維生素溶液 10 mL；ffolfe微量礦物元素溶液10 mL ； pH=7.0 ο
[0050]電活性甲烷氧化菌培養(yǎng)基2組成(每升溶液含)=NaHCO3 2.5 g；NH4Cl 0.25 g;NaH2PO4.H2O 0.6 g；KC10.1 g；ffolfe微量維生素溶液10 mL；ffolfe微量礦物元素溶液10mL；pH=7.0o
[0051 ] Wolfe微量維生素溶液組成:生物素2.0 mg;葉酸2.0 mg;維生素B6鹽酸鹽10.0mg;鹽酸硫胺素5.0 mg;核黃素5.0 mg;煙酸5.0 mg;D-泛酸|丐5.0 mg;維生素Bi2 0.1mg;對氨基苯甲酸5.0 mg;硫辛酸5.0 mg;去離子水1.0 L0
[0052]Wolfe微量礦物元素溶液組成:氨三乙酸1.5 g；MgSO4.7H20 3.0 g；MnSO4.H2O0.5 g；NaCl 1.0 g；FeSO4.7H20 0.1 g；CoCl2.6H2O 0.1 g；CaCl2 0.1 g；ZnSO4.7H20
0.1 g；CuSO4.5H20 0.01 g;AlK(S04)2.I2H2O 0.01 g；H3BO3 0.01 g；Na2MoO4.2H20 0.01g;去離子水1.0 L0
[0053]電活性甲燒氧化菌培養(yǎng)基I利用N2與⑶2體積比為80:20的混合氣除去培養(yǎng)基中的氧氣后，分裝入250 mL厭氧培養(yǎng)瓶中密封，于121 °C濕熱滅菌20 min后(Wolfe微量維生素混合液、微量礦物元素混合液應過濾滅菌后最后加入)，以青島白沙河入?？谔幹谐练e物(沉積物與水體交界面以下5 cm的沉積物)為接種物，接種沉積物污泥量(質(zhì)量分數(shù))為10%，連續(xù)不斷鼓充CH4(30 mL/min)，以未接種為空白對照，于30 °C靜置避光厭氧培養(yǎng)，定時取樣，用可見分光光度計測Mn2+和Fe2+濃度。經(jīng)過15 d的厭氧避光培養(yǎng)，菌液逐漸變得渾濁，厭氧管中的棕紅色Fe(OH)3顆粒逐漸變?yōu)楹谏w粒，此時認為已從厭氧沉積物污泥中分離篩選出電活性甲烷氧化菌。以初步富集獲得的電活性甲烷氧化菌為接種物進一步富集、分離篩選電活性甲烷氧化菌。
[0054]②生物陽極制作
[0055]以富集、分離篩選電活性甲烷氧化菌為接種物，電活性甲烷氧化菌培養(yǎng)基2經(jīng)N2/CO2混合氣(體積比為80:20 )除去培養(yǎng)基中的氧氣，然后接種物與電活性甲烷氧化菌培養(yǎng)基2按1:9(v/v)的比例接種微生物電解池陽極室，連續(xù)不斷鼓充CH4(30 mL/min)。微生物電解池為批次操作，每次實驗結束后按上述比例加入接種物與電活性甲烷氧化菌培養(yǎng)基2的混合液。微生物電解池陰極室電解質(zhì)溶液為0.5 mo I /L磷酸鈉脫氧緩沖溶液。恒電位儀33的電位固定為-0.9 V，定期對微生物電解池的電流數(shù)據(jù)進行采樣，待微生物電解池的電流最大且穩(wěn)定后，認為在陽極電極表面充分附著了電活性甲烷氧化菌，此時生物陽極極的制作完成。系統(tǒng)穩(wěn)定后，此時微生物電解池可以用來檢測水體中有毒物質(zhì)。
[0056]3.待測樣品中有毒物質(zhì)測定
[0057]陽極電活性甲烷氧化菌功能微生物培養(yǎng)基:電活性甲烷氧化菌培養(yǎng)基2。
[0058]陰極電解質(zhì)溶液:0.5mol/L磷酸鈉緩沖溶液。
[0059]待測樣品通過連接管1、采樣栗2、連接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、連接管6、蠕動栗7、連接管8、三通閥9及連接管10以1.8 mL/min的流量進入在線脫氣機15;與此同時，儲也罐11中含有的電活性甲烷氧化菌功能微生物培養(yǎng)基(電活性甲烷氧化菌培養(yǎng)基2)以0.2 mL/min的流量經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14及連接管10進入在線脫氣機15，并與待測樣品在在線脫氣機15中混合、脫氣后經(jīng)連接管16從微生物電解池17的陽極室的側底部進入陽極室，其中待測樣品與培養(yǎng)基的體積比為9:1 (V/V)，同時CH4和N2混合氣體(V: V=20:80)通過導氣管20以10 mL/min的流量進入微生物電解池17的陽極室培養(yǎng)微生物，純N2通過導氣管22以10 mL/min的流量進入微生物電解池17的陰極室。與此同時，儲液罐24中的電解質(zhì)溶液(0.5 mol/L磷酸鈉緩沖溶液)脫氧后以0.5 mL/min的流量連續(xù)不斷地經(jīng)連接管25、蠕動栗26及連接管27輸入到微生物電解池17的陰極室。同時每隔5 s用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)35(myDAQ，上海恩艾儀器有限公司)測定電阻31兩端的電壓，并將其保存到計算機和控制部分39。起初由于待測樣品中不含有毒物質(zhì)，所以微生物電解池17產(chǎn)生的電流一般恒定不變(圖2 I階段)，然后向待測樣品中相繼加入汞(Hg)標準溶液，使待測樣品中汞(Hg)的最終濃度分別為0.015 ppm、0.025 ppm、0.035 ppm、0.045 ppm及0.055 ppm，結果表明微生物電解池17產(chǎn)生的電流一般情況下為恒定值(圖2 Π、ΙΠ階段)，但當待測樣品中Hg的濃度為0.035ppm時微生物電解池17產(chǎn)生的電流值驟減(圖2 IV階段)，此時預警器38預警，同時三通閥9與連接管36連通，含有毒物質(zhì)的樣品進入到樣品收集器37，檢測時間小于15 min。與此同時，儲液罐11中的大量培養(yǎng)基經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14、連接管1、在線脫氣機15及連接管16進入微生物電解池17的陽極室對有毒物質(zhì)進行稀釋和沖洗，以減少有毒物質(zhì)對陽極室電活性甲烷氧化菌功能微生物的毒害。
[0060]此實施例說明該裝置可以檢測水體中重金屬等有毒物質(zhì)。
[0061 ] 實施例2
[0062]在實施例2中使用與實施例1相同的檢測裝置和培養(yǎng)基。待測樣品通過連接管1、采樣栗2、連接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、連接管6、蠕動栗7、連接管8、三通閥9及連接管10以1.8 mL/min的流量進入在線脫氣機15;與此同時，儲也罐11中含有的電活性甲烷氧化菌功能微生物培養(yǎng)基(電活性甲烷氧化菌培養(yǎng)基2)以0.2 mL/min的流量經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14及連接管10進入在線脫氣機15，并與待測樣品在在線脫氣機15中混合、脫氣后經(jīng)連接管16從微生物電解池17的陽極室的側底部進入陽極室，其中待測樣品與培養(yǎng)基的體積比為9:1(V/V)，同時CH4和N2混合氣體(v:v=20:80)通過導氣管20以10 mL/min的流量進入微生物電解池17的陽極室培養(yǎng)微生物，純N2通過導氣管22以10 mL/min的流量進入微生物電解池17的陰極室。與此同時，儲液罐24中的電解質(zhì)溶液(0.5 mo I /L磷酸鈉緩沖溶液)脫氧后以0.5 mL/min的流量連續(xù)不斷地經(jīng)連接管25、蠕動栗26及連接管27輸入到微生物電解池17的陰極室。同時每隔5 s用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)35(myDAQ，上海恩艾儀器有限公司)測定電阻31兩端的電壓，并將其保存到計算機和控制部分39。起初由于待測樣品中不含有毒物質(zhì)，所以微生物電解池17產(chǎn)生的電流一般恒定不變(圖3 I階段)，然后向待測樣品中相繼加入苯酚標準溶液，使待測樣品中苯酚的最終濃度分別為0.015 ppm,0.025 ppm、
0.035 ppm、0.045 ppm及0.055 ppm，結果表明微生物電解池17產(chǎn)生的電流一般情況下為恒定值(圖3 n、m階段)，但當待測樣品中苯酚的濃度為0.045 ppm時微生物電解池17產(chǎn)生的電流值驟減(圖3 IV階段)，此時預警器38預警，檢測時間小于15 min，同時三通閥9與連接管36連通，含有毒物質(zhì)的樣品進入到樣品收集器37。與此同時，儲液罐11中的大量培養(yǎng)基經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14、連接管10、在線脫氣機15、連接管16進入微生物電解池17的陽極室對有毒物質(zhì)進行稀釋和沖洗，以減少有毒物質(zhì)對陽極室電活性甲烷氧化菌功能微生物的毒害。
[0063]此實施例說明該裝置可以檢測水中苯酚等有毒有機物質(zhì)。
[0064]實施例3
[0065]在實施例3中使用與實施例1相同的檢測裝置和培養(yǎng)基。待測樣品通過連接管1、采樣栗2、連接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、連接管6、蠕動栗7、連接管8、三通閥9及連接管10以1.8 mL/min的流量進入在線脫氣機15;與此同時，儲也罐11中含有的電活性甲烷氧化菌功能微生物培養(yǎng)基(電活性甲烷氧化菌培養(yǎng)基2)以0.2 mL/min的流量經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14及連接管10進入在線脫氣機15，并與待測樣品在在線脫氣機15中混合、脫氣后經(jīng)連接管16從微生物電解池17的陽極室的側底部進入陽極室，其中待測樣品與培養(yǎng)基的體積比為9:1(V/V)，同時CH4和N2混合氣體(v:v=20:80)通過導氣管20以10 mL/min的流量進入微生物電解池17的陽極室培養(yǎng)微生物，純N2通過導氣管22以10 mL/min的流量進入微生物電解池17的陰極室。與此同時，儲液罐24中的電解質(zhì)溶液(0.5 mo I /L磷酸鈉緩沖溶液)脫氧后以0.5 mL/min的流量連續(xù)不斷地經(jīng)連接管25、蠕動栗26及連接管27輸入到微生物電解池17的陰極室。同時每隔5 s用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)35(myDAQ，上海恩艾儀器有限公司)測定電阻31兩端的電壓，并將其保存到計算機和控制部分39。起初由于待測樣品中不含有毒物質(zhì)，所以微生物電解池17產(chǎn)生的電流一般恒定不變(圖4 I階段)，然后向待測樣品中相繼加入Hg與苯酸標準溶液，使待測樣品中Hg與苯酸的最終濃度分別為0.015 P pm (Hg )+
0.015 ppm(苯酌O、0.025 ppm(Hg)+0.025 ppm(苯酌O及0.035 ppm(Hg)+0.035 ppm(苯酌0，如實施例1一樣，結果表明微生物電解池17產(chǎn)生的電流一般情況下為恒定值(圖4 Π階段)，但當待測樣品中Hg與苯酸的最終濃度為0.025 ppm(Hg)+0.025 ppm(苯酸)時微生物電解池17產(chǎn)生的電流值驟減(圖4 ΙΠ階段)，此時預警器38預警，檢測時間小于10 min，同時三通閥9與連接管36連通，含有有毒物質(zhì)的樣品進入到樣品收集器37 ο與此同時，儲液罐11中的大量培養(yǎng)基經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14、連接管10、在線脫氣機15及連接管16進入微生物電解池17的陽極室對有毒物質(zhì)進行稀釋和沖洗，以減少有毒物質(zhì)對陽極室電活性甲烷氧化菌功能微生物的毒害。
[0066]此實施例說明該裝置可以檢測水體中不同有毒物質(zhì)的疊加或協(xié)同作用。
[0067]實施例4
[0068]以電活性ANAMMOX菌為微生物電解池陽極室功能微生物在線監(jiān)測水中有毒物質(zhì)。
[0069]1.用于在線監(jiān)測水體中有毒物質(zhì)的裝置的結構及微生物電解池感應器的設計與組裝
[0070]同實施例1。
[0071]2.微生物電解池陽極電極表面電活性ANAMMOX菌功能微生物的富集
[0072]①電活性ANAMMOX菌的富集
[0073]電活性ANAMMOX菌培養(yǎng)基I組成(每IL溶液含):KH2P04 56.7 mg,MgCl2.6H20 165mg；CaCl2.6H2O 300 mg；NaHCO3 105 mg; NH4HCO3 3.95 g; NaNO2 1.725 g; MnO2 5 g;Fe(OH)3 5 g;細菌抑制劑青霉素G 100 yg;微量元素溶液I 0.5 mL;微量元素溶液II
0.5 mLo
[0074]電活性ANAMMOX菌培養(yǎng)基I組成(每IL溶液含):KH2P04 56.7 mg,MgCl2.6H2O 165mg；CaCl2.6H2O 300 mg；NaHCO3 105 mg; NH4HCO3 3.95 g;細菌抑制劑青霉素G 100 yg；微量元素溶液I 0.5 mL;微量元素溶液II 0.5 mL。
[0075]微量元素溶液I組成(g/L):FeS04.7H20 5; EDTA 5。
[0076]微量元素溶液II組成(g/L):EDTA 15； ZnCl2 0.255; CoCl2.6H2O 0.3;MnCl2.4H20 1.238; CuCl2.2H20 0.213; Na2Mo4.2H20 0.304; NiCl2.6H2O 0.238;Na2SeO3 0.067; H3BO3 0.014; Na2WO4.2H20 0.063; ρΗ=7.5?8.0。
[0077]電活性ANAMMOX菌培養(yǎng)基I分裝入250mL厭氧培養(yǎng)瓶中，然后利用氬氣(Ar)與CO2體積比為80:20的混合氣除去培養(yǎng)基及瓶中的氣體中的氧氣后密封，以青島白沙河入?？谔幹谐练e物(沉積物與水體交界面以下5 cm的沉積物)為接種物，接種沉積物污泥量(質(zhì)量分數(shù))為10%，以未接種為空白對照，于35°C靜置避光厭氧培養(yǎng)，定時取樣，以銨鹽、亞硝酸鹽、Mn2+及Fe2+的濃度為判斷指標，采用離子色譜檢測，當?shù)孜锶コ?0%以上時，傳代培養(yǎng)于新鮮培養(yǎng)基I，接種量為15%?20%ο當菌液逐漸變得渾濁，厭氧瓶中的棕紅色Fe (OH) 3顆粒逐漸變?yōu)楹谏w粒，此時認為已從厭氧沉積物污泥中分離篩選出電活性ANAMMOX菌。以初步富集獲得的電活性ANAMMOX菌為接種物進一步富集、分離篩選電活性ANAMMOX菌。
[0078]②生物陽極制作
[0079]以富集、分離篩選電活性ANAMMOX菌為接種物，電活性ANAMMOX菌培養(yǎng)基II經(jīng)Ar/CO2混合氣(體積比為80:20)除去培養(yǎng)基中的氧氣，然后接種物與電活性ANAMMOX菌培養(yǎng)基II按1:9(v/v)的比例接種微生物電解池陽極室，連續(xù)不斷鼓充Ar/⑶2混合氣(30 mL/min)。微生物電解池為批次操作，每次實驗結束后按上述比例加入接種物與電活性ANAMMOX菌培養(yǎng)基II的混合液。微生物電解池陰極室電解質(zhì)溶液為0.5 mol/L磷酸鈉脫氧緩沖溶液。恒電位儀33的電位固定為-1.0 V，定期對微生物電解池的電流數(shù)據(jù)進行采樣，待微生物電解池的電流最大且穩(wěn)定后，認為在陽極電極表面充分附著了電活性ANAMMOX菌，此時生物陽極極的制作完成。系統(tǒng)穩(wěn)定后，此時微生物電解池可以用來檢測水體中有毒物質(zhì)。
[0080]3.待測樣品中有毒物質(zhì)測定
[0081 ] 陽極電活性ANAMMOX菌功能微生物培養(yǎng)基:電活性ANAMMOX菌培養(yǎng)基II。
[0082]陰極電解質(zhì)溶液:0.5mol/L磷酸鈉緩沖溶液。
[0083]待測樣品通過連接管1、采樣栗2、連接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、連接管6、蠕動栗7、連接管8、三通閥9及連接管10以1.8 mL/min的流量進入在線脫氣機15;與此同時，儲也罐11中含有的電活性ANAMMOX菌功能微生物培養(yǎng)基(電活性ANAMMOX菌培養(yǎng)基II)以0.2 mL/min的流量經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14及連接管10進入在線脫氣機15，并與待測樣品在在線脫氣機15中混合、脫氣后經(jīng)連接管16從微生物電解池17的陽極室的側底部進入陽極室，其中待測樣品與培養(yǎng)基的體積比為9:1 (V/V)，同時Ar/⑶2混合氣體(V: V=80:20)通過導氣管20以10 mL/min的流量進入微生物電解池17的陽極室培養(yǎng)微生物，純N2通過導氣管22以10 mL/min的流量進入微生物電解池17的陰極室。與此同時，儲液罐24中的電解質(zhì)溶液(0.5 mol/L磷酸鈉緩沖溶液)脫氧后以0.5 mL/min的流量連續(xù)不斷地經(jīng)連接管25、蠕動栗26及連接管27輸入到微生物電解池17的陰極室。同時每隔5 s用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)35(myDAQ，上海恩艾儀器有限公司)測定電阻31兩端的電壓，并將其保存到計算機和控制部分39。起初由于待測樣品中不含有毒物質(zhì)，所以微生物電解池17產(chǎn)生的電流一般恒定不變(圖5 I階段)，然后向待測樣品中相繼加入汞(Hg)標準溶液，使待測樣品中汞(Hg)的最終濃度分別為0.015 ppm、0.025 ppm、0.035 ppm、0.045 ppm及0.055 ppm，結果表明微生物電解池17產(chǎn)生的電流一般情況下為恒定值(圖5 Π、ΙΠ階段)，但當待測樣品中Hg的濃度為0.035ppm時微生物電解池17產(chǎn)生的電流值驟減(圖5 IV階段)，此時預警器38預警，同時三通閥9與連接管36連通，含有毒物質(zhì)的樣品進入到樣品收集器37，檢測時間小于15 min。與此同時，儲液罐11中的大量培養(yǎng)基經(jīng)連接管12、蠕動栗13、連接管14、連接管1、在線脫氣機15及連接管16進入微生物電解池17的陽極室對有毒物質(zhì)進行稀釋和沖洗，以減少有毒物質(zhì)對陽極室電活性ANAMMOX菌功能微生物的毒害。
[0084]工業(yè)實用性:
[0085]依據(jù)本實用新型，當待測樣品中含有毒物質(zhì)時，微生物電解池中電活性細菌的代謝會受到抑制，導致微生物電解池產(chǎn)生的電流驟減，從而起到檢測水體中有毒物質(zhì)及自動預警的目的。在檢測水體中有毒物質(zhì)時，與傳統(tǒng)的警報裝置相比，微生物電解池的運用使感應器部分的管理與維護費用和人員最少化，并簡化操作過程，且裝置的靈敏度高、響應快、檢測時間短及精確可靠。
[0086]—旦檢測裝置感應到水體中有毒物質(zhì)的進入信號，即從現(xiàn)場采集含有毒物質(zhì)的樣品置于密封的器皿中，隨后可結合其它的物理或化學等方法對樣品中的有毒物質(zhì)進行定性和定量分析。
[0087]依據(jù)本實用新型，利用微生物電解池檢測水體中有毒物質(zhì)的裝置可以快速檢測飲用水源的污染情況，也可用于衡量污水的生物毒性的強度，達到早期預警的目的，從而使損失最小化。此外，當在水源的保護區(qū)域安裝此裝置時，可以對保護區(qū)域水源的安全起到保護作用，而在工廠和企事業(yè)單位的污水排放口安裝此裝置時，可以有效地預防工廠和企事業(yè)單位非法排放污染物。
[0088]最后應說明的是:顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之中。
【主權項】
1.一種水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測及自動預警裝置，其特征在于:包括生物傳感器，用于感應由于引入水體中有毒物質(zhì)而引起的電流變化;連接管;液體輸送栗;水力旋流器；在線脫氣機;三通閥;樣品采集器;恒電位儀;培養(yǎng)基儲液罐;磷酸鹽緩沖液儲液罐;恒溫箱；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);計算機和控制系統(tǒng)，用于控制整個裝置的運行;及預警器;計算機和控制系統(tǒng)分別和液體輸送栗、在線脫氣機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、恒溫箱、三通閥及預警器連接； 生物傳感器通過連接管與液體輸送栗、水力旋流器、樣品自動稀釋器、靜態(tài)混勻器、在線脫氣機及儲液罐連接； 生物傳感器為雙室微生物燃料電池、單室微生物燃料電池、雙室微生物電解池、單室微生物電解池；生物傳感器陽極室中的陽極電極表面附著的功能微生物為電活性甲烷氧化菌、電活性厭氧氨氧化菌； 所述功能微生物以水底沉積物、活性污泥及厭氧消化污泥為接種物富集獲得。2.根據(jù)權利要求1所述的一種水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測及自動預警裝置，其特征在于:所述生物傳感器為雙室微生物電解池，包括陽極室和陰極室，陽極室和陰極室之間設置有分隔膜，所述分隔膜為質(zhì)子交換膜、陽離子交換膜或雙極膜;陽極室和陰極室內(nèi)分別放置陽極電極和陰極電極;所述微生物電解池以惰性鍍鉑導電材料或鉑材料為陰極電極、導電惰性材料為陽極電極；陽極電極和陰極電極間通過鈦絲、導線、恒電位儀及電阻連接； 所述導電惰性材料為碳布、碳紙、石墨氈、網(wǎng)狀玻璃碳或碳纖維刷； 陽極室通過連接管與液體輸送栗、樣品自動稀釋器、靜態(tài)混勻器、在線脫氣機、儲液罐及采樣栗連接； 陽極室連接管上連接有樣品收集器； 陰極室通過連接管與液體輸送栗和儲液罐連接。3.根據(jù)權利要求1所述的一種水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測及自動預警裝置，其特征在于:裝置上的所有輸送栗、采樣栗、樣品自動稀釋器、在線脫氣機、恒溫箱及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均與計算機控制系統(tǒng)連接;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電阻并聯(lián)，用于采集電阻兩端的電壓;恒電位儀低電位端通過導線與電阻相連，電阻通過鈦絲與陽極電極相連，恒電位儀的高電位端通過鈦絲與陰極電極相連，電阻兩端連接一個用于測定電阻兩端電壓的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。4.根據(jù)權利要求1所述的一種水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測及自動預警裝置，其特征在于:恒電位儀輸出的直流電壓范圍為0.2?3.0 V。5.根據(jù)權利要求1所述的一種水體中有毒物質(zhì)生物在線監(jiān)測及自動預警裝置，其特征在于:進入微生物電解池陽極室的樣品溶液的流量范圍為0.1?100 mL/min。
【文檔編號】G01N27/416GK205426847SQ201521007000
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年12月5日
【發(fā)明人】蔣海明, 李俠, 張金山
【申請人】內(nèi)蒙古科技大學