一种沉积物微生物还原活性检测装置及方法

摘要

本发明提供一种沉积物微生物还原活性的检测装置及方法，所述的检测装置包括微生物电化学活性反应单元、信号采集处理单元。其中微生物电化学活性反应单元巧妙地将单极室结构应用到沉积物中，极室内曝气或水流循环或使用铁氰化钾或高锰酸钾提供电子受体。检测沉积物微生物还原活性时，将该微生物电化学活性反应单元投放于待检测沉积物中，所构建极室为阴极室，极室外沉积物充当天然的阳极室，调整外电阻大小以提高系统灵敏度。由信号采集单元采集微生物电化学活性反应单元输出的电压信号，从而计算出沉积物微生物还原活性。本发明所述系统和方法灵敏度高、结构简单、建造运行和维护成本低，是一种有效检测沉积物微生物还原活性的方法和技术。

权利要求

1.一种沉积物微生物还原活性检测装置，其特征在于所述检测装置包括微生物电化学活性反应单元和信号采集处理单元；

所述微生物电化学活性反应单元包括阳极部分A、阴极部分B和外电阻；其中隔板（7）、隔板（8）固定阳极（3）组成阳极部分A；隔板（6）与阴极室（1）固定阴极（2）组成阴极部分B；阳极部分A和阴极部分B之间预留一定空隙并用螺栓固定为一个整体；所述微生物电化学活性反应单元阴极（2）和阳极（3）和外电阻串联形成闭合回路，并与信号采集单元连接；

阴极室（1）内部为两侧或其中一侧开口的圆柱体或立方体空腔，顶端设有方便更换电解液的水管（4）和曝气管（5）。

2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述微生物电化学活性反应单元的阳极（3）、阴极（2）均采用碳布或石墨片，所述阴极（2）以氧气、铁氰化钾或高锰酸钾为电子受体。

3.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述微生物电化学活性反应单元的阴极（2）、阳极（3）均由铜线导出外接外电阻。

4.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述隔板（6）、隔板（7）和隔板（8）中央分别设置与阴极室（1）空腔形状与大小相适应的圆形或方形开口。

5.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述微生物电化学活性反应单元的阴极室（1）和各隔板均由丙烯酸材料加工而成，隔板（6）和隔板（7）间设有空隙以增大阳极与沉积物的接触面积，所述的空隙为1-15 cm。

6.如权利要求2所述的检测装置，其特征在于所述的阳极（3）置于隔板（7）和隔板（8）之间；阴极（2）置于隔板（6）和阴极室（1）之间，其中，与阴极室（1）接触的一侧用PTFE做防水处理，与隔板（6）接触的一侧载有铂催化剂。

7.权利要求1所述的检测装置检测沉积物微生物还原活性的方法，所述方法应用于快速测定沉积物中各种电子受体的微生物还原活性，其特征在于所述方法包括如下步骤：（1）构建微生物电化学活性反应单元，连接外界电阻和信号采集单元；

（2）配制阴极液，准备具有不同电子受体活性的沉积物样品；

（3）测定各个沉积物样品微生物还原活性；通过调整外电阻以提高电化学活性反应单元的灵敏度，选择灵敏度最高的外电阻值，在线记录输出电压；建立各种电子受体还原活性与微生物电化学活性装置所产电量的数学关系；

（4）通过微生物电化学活性装置产生的输出电压计算电量值，代入数学方程计算沉积物微生物还原活性，并与步骤（3）测得的还原活性值进行比较、验证。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述沉积物微生物还原活性包括硝酸盐还原活性、铁氧化物还原活性、硫还原活性、锰还原活性、CO2还原活性。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的检测对象为水体沉积物或湿地或稻田土壤或污泥或淤泥。

说明书

一种沉积物微生物还原活性检测装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于环境检测技术领域，具体涉及一种利用微生物电化学检测沉积物微生物还原活性的装置和方法。

背景技术

[0002] 水体沉积物是生态系统中能量转化和碳循环的重要场所。微生物在厌氧环境中的生长通常可以使用其他电子受体而不是氧。沉积物中有机质的降解过程通常伴随着一系列电子受体，包括氧气、硝酸盐、硫酸盐、铁的氧化物、锰的氧化物的还原。定量研究有机碳矿化途径及其对有机质矿化的相对贡献对揭示能量分配和碳循环具有重要的生态学和环境学意义，也是揭示多种氧化还原敏感性微量组分生物地球化学循环的基础。理论上讲，测出各电子受体的微生物还原活性，即可得出各路径对有机质的矿化速率及相对贡献。个别矿化路径（如反硝化和硫酸盐还原）可直接测定，而另一些路径的速率至今仍无法直接测定，只能间接获得。

[0003] 现在，世界范围内广泛使用的各种电子受体还原活性测定方法复杂，费时费力，测定过程也不够稳定，测定值随操作者的熟练程度而变化，且很难实现现场实时监测。以硫酸35
盐还原速率、铁还原速率和硝酸盐还原速率的测定为例。硫酸盐还原速率的测定可通过 S示踪技术，将沉积物样品置于具塞玻瓶中，注入无载体同位素示踪剂，密封瓶口，在5℃的N2环境中培养6-7 h，中间取几个时间点取样，通过两步蒸馏法分别测得AVS和CRS，即总还原性的硫，从而得到硫酸盐还原速率。测定铁还原速率，取10-20ml沉积物于N2-CO2（93:7, vol/vol）条件下放置于25ml血清瓶中，胶塞封好。在20°C的黑暗条件下密闭静置培养，在不同时间点用注射器取样，同时测定0.5M HCl提取的二价铁含量及在酸性条件下0.25M羟胺将三价铁转化成二价铁后测定的二价铁含量，得出三价铁含量随时间的变化。硝酸盐
15 �
还原速率的测定采用同位素配对技术，将沉积物的上层水充入50-100μM NO3 ，密闭条件
15 14 15
下振荡培养0.5-3h，将沉积物混匀，取样，用质谱法测定具有标记的氮气 N2，包括 N N和
15 15 15 �
N N，可由这含有 N的氮气含量判定未标记的NO3 的反硝化速率。以上测定方法操作过程均较为复杂，且费时费力。

[0004] 生物反应具有高度的专一性，生物传感器正是利用生物反应的这一特点对待测物质的浓度和性质进行精确测定。与传统的化学测定方法相比，生物传感器法往往测定周期短，操作简单。近年来，微生物燃料电池迅速发展，提供了一种全新的生物传感方法和装置。迄今为止，关于微生物燃料电池的中国专利已超过130项。许多研究者已经开发出作为有机物和生化需氧量传感器及作为有毒物质的检测和报警装置的微生物燃料电池，而用此类生物电化学活性反应器检测沉积物微生物还原活性的方法和装置还未见报道。

[0005] 微生物燃料电池是一种在微生物催化作用下，将化学能转化为电能的装置。近年来，微生物燃料电池用于BOD的在线监测受到越来越多的关注，经研究发现BOD浓度与微生物燃料电池（MFC）的稳定输出电流或输出电量呈良好的线性关系，可以通过检测微生物燃料电池的输出电量，测定样品中BOD的含量。同样地，我们证实沉积物中的铁含量与沉积物微生物燃料电池（SMFC）的输出电压有良好的对应关系。基于以前的研究，本发明采用单极室类似结构为核心的微生物电化学活性装置作为沉积物微生物还原活性检测装置的核心，与输出信号系统相结合，共同构成一种稳定、快速准确、使用范围广的沉积物还原活性检测方法和装置。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有的沉积物微生物还原活性监测技术的不足，根据微生物电化学技术，提供一种沉积物微生物还原活性的测定方法及装置，以准确地测定沉积物微生物还原活性，且具有省时、装置简单、操作容易的优点。

[0007] 为实现第一目的，本发明采用如下技术方案：

[0008] 一种沉积物微生物还原活性检测装置，所述检测装置包括微生物电化学活性反应单元和信号采集处理单元；

[0009] 所述微生物电化学活性反应单元包括阳极部分A、阴极部分B和外电阻；其中两个隔板固定阳极组成阳极部分A；隔板与阴极室固定阴极组成阴极部分B；阳极部分A和阴极部分B之间预留一定空隙并用螺栓固定为一个整体；所述微生物电化学活性反应单元阴极和阳极和外电阻串联形成闭合回路，并与信号采集单元连接。

[0010] 所述微生物电化学活性反应单元的阳极、阴极均采用碳布或石墨片，所述阴极以氧气、铁氰化钾或高锰酸钾为电子受体。

[0011] 所述微生物电化学活性反应单元的阴极、阳极均由铜线导出外接外电阻。

[0012] 阴极室内部为两侧或其中一侧开口的圆柱体或立方体空腔，顶端设有方便更换电解液的水管和曝气管。

[0013] 所述各隔板中央分别设置与阴极室空腔形状与大小相适应的圆形或方形开口。

[0014] 所述微生物电化学活性反应单元的阴极室和各隔板均由丙烯酸材料加工而成，阳极部分A和阴极部分B之间设有空隙以增大阳极与沉积物的接触面积，所述的空隙为1-15 cm。

[0015] 本发明的另一目的是提供一种检测沉积物还原活性的方法，以稳定、快速、准确地进行沉积物还原活性的检测。

[0016] 为实现第二目的，本发明采用如下技术方案：

[0017] 一种应用于快速测定沉积物中微生物还原活性的方法，所述方法包括如下步骤：

[0018] （1）构建微生物电化学活性反应单元，连接外界电阻和信号采集单元；

[0019] （2）配制阴极液，准备具有不同电子受体活性的沉积物样品；

[0020] （3）测定各个沉积物样品微生物还原活性；通过调整外电阻以提高电化学活性反应单元的灵敏度，选择灵敏度最高的外电阻值，在线记录输出电压；建立各种电子受体还原活性与微生物电化学活性装置所产电量的数学关系；

[0021] （4）通过微生物电化学活性装置产生的输出电压计算电量值，代入数学方程计算沉积物微生物还原活性，并与步骤（3）测得的还原活性值进行比较、验证。

[0022] 所述沉积物微生物还原活性包括硝酸盐还原活性、铁氧化物还原活性、硫还原活性、锰还原活性、CO2还原活性。

[0023] 所述的检测对象为水体沉积物或湿地或稻田土壤或污泥或淤泥。

[0024] 以下结合附图对本发明作进一步的详细介绍：

[0025] 本发明所述的沉积物微生物还原活性检测装置包括：微生物电化学活性反应单元，其感应由于沉积物还原活性变化而引起的电压变化；信号采集单元，其采集、控制信号值并自动检测沉积物还原活性。

[0026] 所述微生物电化学活性反应单元巧妙地将单极室结构应用到沉积物中，极室内曝气或水流循环或使用铁氰化钾或高锰酸钾提供电子受体。检测沉积物微生物还原活性时，将该微生物电化学活性反应单元投放于待检测沉积物中，所构建极室为阴极室，极室外沉积物充当天然的阳极室，调整外电阻大小以提高系统灵敏度。由信号采集单元采集微生物电化学活性反应单元输出的电压信号，从而计算出沉积物微生物还原活性。

[0027] 上述微生物电化学活性反应单元包括阳极部分和阴极部分。其中两隔板固定阳极电极组成阳极部分，阳极两面直接接触待测沉积物；另一隔板与阴极室固定阴极电极组成阴极部分。阳极部分和阴极部分之间预留一定空隙并用螺栓固定为一个整体。所述空隙用以增大阳极与沉积物的接触面积，该空隙优先为1-15 cm，更优选5-10 cm，最优先7.5 cm。阴极室内部为一端开口的圆柱体或方体空腔，顶端设开口方便反应器内电解液的更换和曝气管。3个隔板中央均打出与圆形空腔开口大小相同的圆形或方形洞。

[0028] 所述的阳极和阴极均优先采用碳布。阳极碳布置于两隔板之间，与沉积物直接接触；阴极碳布置于阴极室外侧，与阴极室液体接触的一侧用PTFE做防水处理，与沉积物接触的一侧载有铂催化剂。阴极室曝气或使用铁氰化钾作为电解液，外部回路优先使用1000Ω的外电阻。阴阳极均由铜线导出外接电阻。

[0029] 所述的微生物电化学活性单元由极室、外电阻和导线组成，将连接好的微生物电化学活性单元置于待检测沉积物中，阴极以氧气或铁氰化钾或高锰酸钾为电子受体，阳极直接接触厌氧沉积物；将阴阳极和外电阻用导线串联在一起形成一个回路，并与信号采集单元相连接，其中优选所述的信号采集单元设有存储单元和显示单元，所采集的数据经计算机处理后进行上传存储并实时显示在显示单元上，反映沉积物微生物还原活性。

[0030] 本发明所述的沉积物微生物还原活性，包括硝酸盐还原活性、铁氧化物还原活性、硫还原活性、锰还原活性、CO2还原活性等。

[0031] 本发明所述方法用微生物电化学活性来反映沉积物的微生物还原活性。具体而言，使用所述的微生物电化学活性单元测定沉积物微生物还原活性具体包括下述步骤：

[0032] 1、构建微生物电化学活性单元：按照前述内容准备丙烯酸隔板、阴极室、阳极、阴极、导线、外电阻及信号采集单元；

[0033] 2、采集若干具有不同电子受体还原活性的沉积物样品，用传统方法测定其还原活性；

[0034] 3、通过调整外电阻以提高其灵敏度，选择灵敏度最高的外电阻值，在线记录输出电压；

[0035] 4、作出各电子受体还原活性与电池电量的数学关系；

[0036] 5、采集某沉积物样品，通过电化学活性装置产生的输出电压计算电量值，代入数学方程计算沉积物的还原活性，并与传统方法测得的值进行比较、验证。

[0037] 本发明的有益效果如下：

[0038] 1、本发明利用新型微生物电化学活性反应单元构建沉积物微生物还原活性传感器，快速测定沉积物中各种电子受体的还原活性，克服了现有测定方法操作复杂、费时费力、测定过程不稳定等缺陷，且减少了人工工作量；

[0039] 2、本发明用于沉积物微生物还原活性的检测，通过大量实验总结得到利用微生物电化学活性反应单元测定沉积物还原活性的最适宜检测条件，使得所述检测方法更加客观、操作过程简单并可程序化、测定过程稳定和快捷、测定结果准确、灵敏度高、误差小、可实现在线检测、成本低、可普遍推广应用。

附图说明

[0040] 图1 本发明沉积物还原活性检测装置中微生物电化学活性反应单元装配图；

[0041] 图2 本发明检测装置的结构示意图。

[0042] 附图标记：

[0043] 1-阴极室；2-阴极；3-阳极；4-水管；5-曝气管；6-隔板；7-隔板；8-隔板；

[0044] A-阳极部分；B-阴极部分；

[0045] C-微生物电化学活性反应单元；D-外电阻；E-信号采集处理单元。

具体实施方式

[0046] 实施例1 沉积物微生物还原活性检测装置

[0047] 如图2所示的一种沉积物微生物还原活性检测装置，包括微生物电化学活性反应单元C和信号采集处理单元E，其中电化学活性反应单元C还包括外电阻D；

[0048] 如图1所示，微生物电化学活性反应单元C包括阳极部分A、阴极部分B；其中隔板7、隔板8固定阳极3组成阳极部分A；隔板6与阴极室1固定阴极2组成阴极部分B；阳极部分A和阴极部分B之间预留一定空隙并用螺栓固定为一个整体；空隙以增大阳极与沉积物的接触面积，所述的空隙为7.5cm。微生物电化学活性反应单元阴极2和阳极3和外电阻D串联形成闭合回路，并与信号采集单元E连接。

[0049] 其中，阴极室1内部为靠近阴极2的一侧开口的圆柱体或立方体空腔，顶端设有方便更换电解液的水管4和曝气管5。隔板6、隔板7和隔板8中央分别设置与阴极室1空腔形状与大小相适应的圆形或方形开口。

[0050] 本实施例中，微生物电化学活性反应单元C的阴极室1和各隔板均由丙烯酸材料加工而成。

[0051] 实施例2沉积物微生物还原活性检测装置

[0052] 与实施例1相比，区别点仅在于本实施例中，微生物电化学活性反应单元C的阳极3、阴极2均采用碳布，阴极2以氧气、铁氰化钾或高锰酸钾为电子受体。

[0053] 实施例3沉积物微生物还原活性检测装置

[0054] 与实施例2相比，区别点仅在于，本实施例中微生物电化学活性反应单元C的阴极2、阳极3均由铜线导出外接外电阻。阳极3置于隔板7和隔板8之间；阴极2置于隔板6和阴极室1之间，其中，与阴极室1接触的一侧用PTFE做防水处理，与隔板6接触的一侧载有铂催化剂。

[0055] 实施例4沉积物微生物还原活性检测装置

[0056] 与实施例1相比，区别点仅在于：本实施例中阳极部分A和阴极部分B之间的空隙为5、10或12cm。

[0057] 实施例5 沉积物微生物还原活性的方法

[0058] 应用于快速测定沉积物中各种电子受体的微生物还原活性的方法，包括如下步骤：

[0059] （1）构建微生物电化学活性反应单元，连接外界电阻和信号采集单元；

[0060] （2）配制阴极液，准备具有不同电子受体活性的沉积物样品；

[0061] （3）测定各个沉积物样品微生物还原活性；通过调整外电阻以提高电化学活性反应单元的灵敏度，选择灵敏度最高的外电阻值，在线记录输出电压；建立各种电子受体还原活性与微生物电化学活性装置所产电量的数学关系；

[0062] （4）通过微生物电化学活性装置产生的输出电压计算电量值，代入数学方程计算沉积物微生物还原活性，并与步骤（3）测得的还原活性值进行比较、验证。

[0063] 实施例6

[0064] 与实施例5相比，区别点仅在于：本实施例中沉积物微生物还原活性为硝酸盐还原活性、铁氧化物还原活性、硫还原活性、锰还原活性或CO2还原活性。

[0065] 实施例7

[0066] 与实施例5相比，区别点仅在于：本实施例中检测对象为水体沉积物或湿地或稻田土壤或污泥或淤泥。

[0067] 上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。