本发明公开了一种双室微生物燃料电池电信号检测土壤污染毒性的方法，属于土壤污染检测技术领域。本发明利用土壤微生物分解有机质产生的电量作为检测土壤污染毒性的指标，和通过微生物活性、生物量等检测毒性的传统方法相比，具有成本低、操作简单和检测周期短的优势。方法所用的双室微生物燃料电池包括阳极、阴极、阳极固定槽、阴极固定槽、阳极室、阴极室、阳极室顶盖、阴极室顶盖、隔膜、胶垫、导线、负载和螺栓螺帽。运行前将污染土壤与葡萄糖混合并装入阳极室，阴极室通入铁氰化钾溶液作为电子受体，运行48小时后算出48小时产电电量，用于评价污染物毒性。本发明具有较高的科学价值和应用价值。
1.双室微生物燃料电池电信号检测土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述双室微生物燃料电池包括阳极、阴极、阳极固定槽、阴极固定槽、阳极室、阴极室、阳极室顶盖、阴极室顶盖、隔膜、胶垫、导线、负载和螺栓螺帽，阳极设置在阳极室内底部的阳极固定槽里，阴极设置在阴极室内底部的阴极固定槽里；所述阳极和阴极通过导线连接，并且导线串联负载；
所述胶垫和隔膜设置在阳极室和阴极室之间；所述方法包括如下步骤：
步骤一，首先将污染土壤与葡萄糖混合，葡萄糖用量范围在土壤干重的3％-5％之间；
再将混有葡萄糖的污染土壤加入到双室土壤微生物燃料电池的阳极室内，土壤应占据2/3及以上的阳极室体积；然后向阳极室中加入蒸馏水、去离子水或自来水使土壤含水量达到最大持水量或处于淹水状态；
步骤二，配制铁氰化钾的磷酸缓冲盐溶液，铁氰化钾浓度范围从50mM至200mM，磷酸盐缓冲液的pH调至7，浓度从50mM至200mM；然后将铁氰化钾的磷酸缓冲盐溶液灌入阴极室，占据阴极室2/3以上的体积；
步骤三，将阳极和阴极通过导线与负载串联，负载阻值范围在100Ω至1000Ω之间，检测和记录负载两端的电压或电流，48小时后停止记录，根据公式：I(电流,A)＝U(电压,V)/R(外阻,Ω) (1)将电压换算成电流，再根据公式：
Q(电量,C)＝I(电流,A)×t(时间,s) (2)算出48小时产电电量，用于评价污染物毒性。
2.根据权利要求1所述的双室微生物燃料电池电信号检测土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述污染土壤中的土壤为所有的土壤类型，其污染物包含重金属污染、有机物污染或者酸碱污染。
3.根据权利要求1所述的双室微生物燃料电池电信号检测土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述阳极或阴极的材料为碳毡、碳布、碳纸、碳刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网。
4.根据权利要求1或3所述的双室微生物燃料电池电信号检测土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜、超滤膜、微滤膜、全氟磺酸树脂膜、玻璃纤维膜或聚碳酸酯膜。
5.根据权利要求1或3所述的双室微生物燃料电池电信号检测土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述阴极室顶盖和阳极室顶盖均为可拆装，并且阴极室顶盖和阳极室顶盖上均开有小孔，用于导线穿过。
双室微生物燃料电池电信号检测土壤污染毒性的方法
技术领域
[0001] 本发明属于一种土壤污染毒性检测技术；具体涉及一种双室土壤微生物燃料电池的电信号检测土壤污染毒性的方法。
背景技术
[0002] 随着工业发展，大量有毒物质进入到环境中，主要包括重金属和有机污染物等。许多污染物进入到土壤中，破坏土壤健康，降低土壤微生物活性，引起土壤退化。因此土壤污染毒性检测显得非常重要，通常通过检测土壤微生物活性来反映污染物毒性以及污染程度。普遍采用的检测土壤微生物活性的方法包括脱氢酶活性检测、碳源利用图谱法、土壤微量热法。
[0003] 从检测成本来看，脱氢酶活性检测、碳源利用图谱法和土壤微量热法的成本较高。脱氢酶检测需要用到昂贵的氯代三苯基四氮唑（TTC）和三苯基甲臢（TPF），另外还需要酶标仪或者分光光度计等设备。碳源利用图谱法需要昂贵的BIOLOG板和BIOLOG仪以及电脑；
土壤微量热检测需要昂贵的微量热仪。从检测过程所需时间来看，除了脱氢酶活性检测可以在24小时内完成之外，碳源利用图谱法和土壤微量热法需要连续检测若干天。
[0004] 微生物燃料电池是将微生物代谢能转化成电能的装置。微生物燃料电池产生的电信号强弱也可用于指示微生物代谢活性的强弱。目前微生物燃料电池已被开发用于工业废水的毒性检测。常用的方法是在阳极室中充入液体培养基并预先培养好产电细菌，使得产电电压或者电流达到稳定。之后再将待检测水加入阳极室中，根据电流或电压降低的幅度来判断废水毒性强弱。但是该检测方法存在缺陷，培养基和产电细菌纯菌的使用增加了成本，培养产电细菌至产电稳定需要较长时间，而且培养基的处理也容易引起污染。
[0005] 综上，现有的土壤微生物活性检测技术存在成本高的问题，而且现有的采用微生物燃料电池的产电信号反映水质污染状况的方法也存在成本高、检测周期长和易引起污染的问题。
发明内容
[0006] 针对现有技术中存在的不足和缺陷，包括土壤微生物活性检测技术中存在的成本高的问题，以及微生物燃料电池的电压或电流信号在反映水质污染状况的方法中存在的成本高、检测周期长以及易引起污染的问题，本发明的目的在于提供一种检测土壤中污染物毒性的新方法。该方法不需要培养基作为阳极产电体系，而是以污染土壤混合少量葡萄糖后，利用土壤微生物进行产电。其运行成本低，操作简单，运行48小时内的产电电量即可用来反映污染物对于土壤微生物的毒性强弱。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 双室微生物燃料电池电信号检测土壤污染毒性的方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤一，首先将污染土壤与葡萄糖混合，葡萄糖用量范围在土壤干重的3%-5%之间；再将混有葡萄糖的污染土壤加入到双室土壤微生物燃料电池的阳极室内，土壤应占据2/3及以上的阳极室体积；然后向阳极室中加入蒸馏水、去离子水或自来水使土壤含水量达到最大持水量或处于淹水状态；
[0010] 步骤二，配制铁氰化钾的磷酸缓冲盐溶液，铁氰化钾浓度范围从50mM至200mM，磷酸盐缓冲液的pH调至7，浓度从50mM至200mM；然后将铁氰化钾的磷酸缓冲盐溶液灌入阴极室，占据阴极室2/3以上的体积；
[0011] 步骤三，将阳极和阴极通过导线与负载串联，负载阻值范围在100Ω至1000Ω之间，检测和记录负载两端的电压或电流，根据公式：
[0012] I(电流,A)=U(电压,V)/R(外阻,Ω) （1）
[0013] 将电压换算成电流，再根据公式：
[0014] Q(电量,C)=I(电流,A)×t(时间,s) （2）
[0015] 算出48小时产电电量，用于评价污染物毒性。
[0016] 所用的双室土壤微生物燃料电池包括阳极、阴极、阳极固定槽、阴极固定槽、阳极室、阴极室、阳极室顶盖、阴极室顶盖、隔膜、胶垫、导线、负载和螺栓螺帽，阳极设置在阳极室内底部的阳极固定槽里，阴极设置在阴极室内底部的阴极固定槽里；阳极和阴极通过导线连接，并且导线串联负载；胶垫和隔膜设置在阳极室和阴极室之间。
[0017] 所述污染土壤中的土壤为所有的土壤类型，其污染物包含重金属污染、有机物污染或者酸碱污染。
[0018] 所述阳极或阴极的材料为碳毡、碳布、碳纸、碳刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网。
[0019] 所述隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜、超滤膜、微滤膜、全氟磺酸树脂膜、玻璃纤维膜或聚碳酸酯膜。
[0020] 进一步地，所述阴极室顶盖和阳极室顶盖均为可拆装，便于向阳极室填充和移除受污染的土壤，以及向阴极室充入或倒出受体溶液，并且阴极室顶盖和阳极室顶盖上均开有小孔，用于导线穿过。
[0021] 本发明的原理如下：
[0022] 土壤中的微生物利用土壤有机质和葡萄糖产电。葡萄糖的加入提高了微生物产电活性，缩短了启动时间，从而能在较短时间内获得产电信号。土壤受到污染之后，微生物总体活性降低，分解有机质产电的能力也受到抑制，因此产生的电流也随着污染物毒性的增加而减小。表现为在运行时间内，污染土壤产生的电量低于不污染土壤，污染程度越高，毒性越大，电量越低。
[0023] 本发明利用土壤微生物分解有机质产生的电量作为检测土壤污染毒性的指标，和通过微生物活性、生物量等检测毒性的传统方法相比，本发明具有成本低、操作简单和检测周期短的优势。所用的微生物燃料电池不需要培养基作为阳极产电体系，而是以污染土壤混合少量葡萄糖后进行产电，运行48小时内的产电电量即可用来反映污染物对于土壤微生物活性的毒性强弱，且产电电量与传统脱氢酶活性的变化趋势一致，因此本发明具有运行成本低，操作简单，快速获得结果以及结论较为可靠的优点。
附图说明
[0024] 图1本发明所用的微生物燃料电池结构示意图，其中，1-阳极室顶盖，2-阳极室，3-阳极，4-阳极固定槽，5-阴极室顶盖，6-阴极室，7-阴极，8-阴极固定槽，9-导线，10-负载，11-螺孔，12-胶垫，13-隔膜。
[0025] 图2检测不同浓度Cr(VI)污染土壤毒性时，微生物燃料电池电流随时间的变化曲线。
[0026] 图3（a）检测不同浓度Cr(VI)污染土壤毒性时，微生物燃料电池在48小时内产生的电量；（b）不同浓度Cr(VI)污染条件下土壤脱氢酶活性。
具体实施方式
[0027] 本发明提供了一种利用双室微生物燃料电池产电信号检测土壤污染毒性的方法，以下结合附图对具体实施方式加以说明。
[0028] 具体实施方式：采用双室结构MFC，每室内壁规格为6cm×6cm×6cm，壁厚0.5cm，有效容积216mL。两室之间以质子交换膜隔开。以碳毡为电极，阴极碳毡和阳极碳毡规格都为4cm×4cm×0.5cm（长×宽×厚），电极距离6cm，电极之间连接1000Ω外阻。土壤为长江中下游林地土壤，为典型黄棕壤。将土壤分成5份，分别添加不同Cr(VI)浓度的K2Cr2O7溶液并与土壤充分混匀，使土壤中Cr(VI)浓度达到0（不加Cr(VI)对照）、50、100、200和-1400mgkg 。土壤老化1天后分别采用MFC检测产电以及采用传统方法检测脱氢酶活性。采用MFC的检测方法如下：将5份Cr(VI)浓度不同的土壤（每份干重120g）分别与葡萄糖混匀，葡萄糖占土壤比重为3%。将混合后的土壤加入到5个MFC反应器的阳极室中。并向阳极室中加入蒸馏水，使得水土比达到1:1。阴极室中灌入200mL、50mM铁氰化钾的50mM、pH7磷酸缓冲液。采用数据采集器记录每隔10min记录一次1000Ω外阻两端电压，共记录48小时。并根据公式电流= 电压/阻值，算出产生的电流，绘制电流随时间变化曲线（图2）。根据公式电量（C）= 电流（A）×时间（S），算出运行48小时MFC产生的总电量（图3a），同时测出土壤的脱氢酶活性（图3b），与电量变化进行对比。结果表明，随着土壤Cr(VI)浓度的增加，传统脱氢酶活性指标与电量所反映的趋势完全一致。
