阅读说明：本技术 一种基于微生物燃料电池的毒性评价方法 (Toxicity evaluation method based on microbial fuel cell ) 是由 于茵 周岳溪 邢飞 席宏波 于 2020-04-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于微生物燃料电池的毒性评价方法,包括微生物燃料电池系统及电信号检测装置。微生物燃料电池系统由阴阳极基质、双室型微生物燃料电池系统和蠕动泵组成。阴阳极基质通过蠕动泵流经微生物燃料电池,电池的阴阳极室连接到电信号检测器,信号输出端连接到电脑上。当基质中出现不同浓度毒性物质时,输出电信号相应减小,计算单位时间的产电量即平均电流抑制率,与未投加毒性物质进行对比,判断废水的生物抑制程度。本发明灵敏、结果直观,检测范围宽,计算方法准确,误报率低,较好的预测微生物受抑制的程度。(The invention discloses a toxicity evaluation method based on a microbial fuel cell, which comprises a microbial fuel cell system and an electric signal detection device. The microbial fuel cell system consists of a cathode substrate, an anode substrate, a double-chamber microbial fuel cell system and a peristaltic pump. The cathode and anode substrates flow through the microbial fuel cell through the peristaltic pump, the cathode and anode chambers of the cell are connected to an electric signal detector, and the signal output end is connected to a computer. When toxic substances with different concentrations appear in the matrix, the output electric signal is correspondingly reduced, the electricity generation amount in unit time, namely the average current inhibition rate, is calculated, and compared with the situation that no toxic substance is added, the biological inhibition degree of the wastewater is judged. The method has the advantages of sensitivity, visual result, wide detection range, accurate calculation method, low false alarm rate and better prediction of the degree of the inhibition of the microorganisms.)

一种基于微生物燃料电池的毒性评价方法

技术领域

本发明涉及水处理领域，尤其涉及基于微生物燃料电池的评估毒性物质对微生物抑制及其影响的监控与方法。

背景技术

近几年水污染事件常见报道，及时对水质进行监测是水污染防治的重要环节。常规水质监测采用物理化学生物方法实现，物理化学方法应用广泛，但不能够反映毒性物质对人类和其他生物体毒害程度。水环境监测生物主要包括微生物、浮游植物、浮游动物、高等水生植物和鱼类等。生物传感器已越来越多地作为一个实施补充水质评估的工具，可用于评价水体的生物毒性作用，并且可以反映毒性物质存在于生物体的累积效应，且具有敏感、多样的优势。

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种新型生物传感器，可用于测定废水对厌氧微生物的抑制性，并且灵敏度高、检测速度快、可实现在线监测，具有良好的应用前景。产电微生物对环境变化非常敏感，当进水中含有有毒物质时，产电菌生命活动减弱，所产生的电压或电流发生变化，能够起到快速有效地指示作用，能够实现快速而经济的评估水体生物毒性。废水中含有的酚类、醛类、卤代烃、氰化物以及重金属等有毒物质，会对微生物产生抑制作用，降低生物活性、损伤细胞结构、抑制代谢过程等，对于污水处理厂影响生物处理效果和运行的稳定，对于水生态体系会造成食物链短缺、急性慢性中毒事件，甚至造成生态失衡。因此，科学有效地评估和控制水的生物抑制性，显得迫切而重要。

目前微生物受到抑制的表征指标主要有电压抑制率及电流差、电流、电压和库伦电量等，当外电阻恒定，根据欧姆定律采用电压或电流指示抑制情况结果是相同的，但此方法的电信号通常为瞬时值计算抑制率的结果随时间变化较大，不能有效反映抑制作用的真实程度，而当最终电压相同的时候又无法有效区分毒性物质的作用程度。因此，提供一种高效有效的评价方法显得非常重要。

发明内容

本发明提供了一种基于微生物燃料电池的毒性评价方法。该方法灵敏、对不同毒性物质的检出范围较宽，是一种较好的毒性评价指标。

第一方面，本发明提供一种基于微生物燃料电池的毒性评价方法，包括以下步骤：

(1)在微生物培养稳定的阳极基质容器中加入营养物质，将待测样品加入上述阳极基质容器中形成混合液。所述营养物质为葡萄糖或乙酸盐等营养物质。所述待测样品为含有毒性物质的样品，所述毒性物质如2,4-二氯酚、丙烯腈等。将上述阳极基质容器中含有待测样品的混合液作为阳极基质，定义为试验组。

另取微生物培养稳定的阳极基质容器，向其中加入营养物质，混合形成混合液。将上述不含有待测样品物质的混合液作为阳极基质，定义为空白组。

(2)将上述步骤(1)制备的空白组中阳极基质的混合液接到管路中，通过蠕动泵连接到双室燃料电池阳极室中。

(3)阴极基质通过蠕动泵连接到双室燃料电池阴极室中。

(4)微生物燃料电池的阴阳极分别通过惰性非金属或金属，如碳、石墨、银、铂等惰性金属中的一种或多种连接到电信号检测装置，电信号检测装置连接到电脑，记录电信号。

(5)待电信号稳定，通过电信号获取其电流或电压。

由于恒外阻情况下根据欧姆定律电压和电流的计算结果相同，本研究采用电流计算。由此，上述步骤(5)中待电信号稳定，记录上述电信号的电流值，记为I_nor；

(6)将上述步骤(2)中所述空白组的阳极基质替换为实验组的阳极基质连接到管路中，并通过蠕动泵输送到双室燃料电池阳极室中，重复上述步骤(3)-(4)，待电信号稳定，监测电信号的电流值，得到单位时间的平均电流，上述平均电流记为

(7)计算平均电流抑制率，上述平均电流抑制率计算公式如下：

其中I_nor是空白组稳定电流值，是添加待测样品后实验组单位时间的平均电流；

(8)通过电流抑制率评价实验组待测样品对阳极基质中微生物的抑制情况，从而评价待测样品的毒性。

进一步地，本发明预设三个ACIR值，ACIR1、ACIR2以及ACIR3，并与ACIR比较：

当ACIR≤ACIR1，表明水中无抑制微生物物质；

当ACIR2≤ACIR≤ACIR1，表明水中存在抑制微生物物质，但抑制性不强，需引起关注；

当ACIR2≤ACIR≤ACIR3，表明水中存在抑制微生物物质，抑制性较强，需引起关注并采取适当措施；

ACIR≥ACIR3，表明水中存在抑制微生物物质，抑制性很强，需采取紧急措施。

上述步骤(1)中，所述微生物为产电厌氧微生物，具体地选自下列菌种中的一种或多种：α-变形菌、β-变形菌、δ-变形菌、变形杆菌、梭状芽胞杆菌、希瓦氏菌、地杆菌。所述希瓦氏菌为MR-1或DSP-10。所述地杆菌为硫还原地杆菌。

上述步骤(1)中，在优选的实施方式中，所述微生物为地杆硫还原菌和希瓦氏菌MR-1的组合。

上述步骤(1)中，所述微生物性能稳定是指在容器中加入微生物，并进一步通过加入营养物质培养微生物，所获得的稳定的微生物群落。上述微生物性能稳定表现在上述微生物燃料电池的电信号稳定，即在三个周期内微生物燃料电池的最大电流变化幅度小于10％，以此认定容器中的微生物性能稳定。在本申请中，性能稳定的微生物群落在本申请的技术方案中也被用于I_nor的测定。

上述步骤(1)中所述营养物质的加入量是基于容器中的液体体积，按照1-5g/L的量投放。在优选的实施方式中，所述营养物质的加入量为1-2g/L。

上述步骤(5)或(6)中，信号稳定是指3个周期的微生物燃料电池的最大电流的变化幅度小于10％。且最大电流持续的时间在3个周期内相同。

本申请中，所述周期是在含有微生物的容器中加入营养物质至微生物将上述营养物质消化吸收完成的周期。表现在电信号上，一个周期是在具有微生物群落的容器中投加营养物质后从产生电信号的波动至电信号再次平稳的周期。所述周期为10-30小时；优选地，所述周期为20-30小时。

在本申请中，在步骤(6)中，计算平均电流抑制率的电流值采样时间是指投加待测样品到电信号电流值变化幅度小于10％的时间，并且计算I_nor的电信号电流值的采样时间与上述投加待测样品计算平均电流抑制率的电流值采样时间相同。

在本申请中，在优选的实施方式中，待测样品和营养物质的投加是同时的。

进一步优选地，在步骤(1)中，微生物燃料电池在恒定温度下培养。

进一步优选地，在步骤(7)中，同一批次的毒性试验，微生物燃料电池的性能曲线相近。

第二方面，本发明提供了一种基于微生物燃料电池的毒性评价方法，具体地：

在步骤(1)中，投加待测样品之前的阳极基质需要氮吹40分钟以上。

在步骤(2)中，蠕动泵的流速为1～10ml/min，阳极室微生物取自培养周期大于1年的菌液。

在步骤(3)中，电信号检测装置设为恒外阻模式。

在步骤(5)中，电信号趋于稳定为毒性试验计算终点，电信号变化幅度小于10％；

在上述步骤中(2)和(3)，所述双室燃料电池为本领域常规的双室燃料电池。在其阴极室和阳极室之间设有隔膜，所述隔膜为质子交换膜。

上述ACIR1＝5％、ACIR2＝30％，ACIR3＝50％。

在本发明的实施方式中，阳极基质空白组为葡萄糖或乙酸盐、微量元素和金属元素等。阴极基质为铁氰化钾。营养基质与毒性物质的混合不影响基质中营养物质的浓度。微生物燃料电池的阴阳极材料分别为惰性非金属或金属，如碳、石墨、银、铂等惰性金属中的一种或多种。

本发明提供了的基于微生物燃料电池的毒性评价方法，具有以下效果：(1)线性范围较宽，适用于废水浓度变化范围较大情况的测量；(2)结果直观，线性关系较好，误差小；(3)能够反应微生物受到毒性物质的冲击，结果可靠；(4)可应用性较强，利于实际推广使用。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为2,4-二氯酚生物毒性检测结果。

图3为丙烯腈生物毒性检测结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种基于微生物燃料电池的毒性评价方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)在微生物性能稳定的容器中，加入乙酸钠。上述乙酸钠的加入量为1g/L。以此作为空白组。取另外两个微生物性能稳定的容器，加入乙酸钠，葡萄糖的加入量为1g/L，进一步向上述两个容器中分别加入含有2,4-二氯酚、丙烯腈毒性物质的待测样品形成混合液，作为阳极基质，定义为试验组。上述投加毒性物质之前的阳极基质需要氮吹40分钟以上。将步骤(1)的混合液接到管路中，通过蠕动泵连接到双室燃料电池阳极室中；阴极基质通过蠕动泵连接到双室燃料电池阴极室中。蠕动泵的流速为1～10ml/min，阳极室微生物取自培养周期大于1年的菌液，微生物燃料电池在恒定温度下培养。

微生物燃料电池的阴阳极分别通过金属片连接到电信号检测装置，电信号检测装置连接到电脑，记录电信号，电信号检测装置设为恒外阻模式。

当微生物燃料电池的输出电信号稳定，即可用于毒性试验，信号稳定是指3个周期的微生物燃料电池的最大电流误差小于10％，且最大电流持续的时间在3个周期内相同。本申请的实施例中上述一个周期为30小时。同一批次的毒性试验，微生物燃料电池的性能曲线相近。电信号变化幅度小于10％，认为电信号趋于稳定，达到毒性试验计算终点。通过作用时间的平均电流即单位时间的产电量，计算平均电流抑制率表征微生物受到抑制情况。计算平均电流抑制率的作用时间是指投加毒性物质到电信号变化幅度小于10％，I_nor的电信号测定时间与投加毒性物质的作用时间相同。公式如下：

其中I_nor是不含毒性物质的稳定电信号，是添加毒物质后单位时间的平均电流；

系统中预设三个ACIR值，ACIR₁、ACIR₂以及ACIR₃，ACIR₁＝5％、ACIR₂＝30％，ACIR₃＝50％，并与ACIR比较：

当ACIR≤5％，表明水中无抑制微生物物质；

当30％≤ACIR≤5％，表明水中存在抑制微生物物质，但抑制性不强，需引起关注；

当30％≤ACIR≤50％，表明水中存在抑制微生物物质，抑制性较强，需引起关注并采取适当措施；

当ACIR≥50％，表明水中存在抑制微生物物质，抑制性很强，需采取紧急措施。

图2为2,4-二氯酚生物毒性实时检测结果，通过平均电流抑制率得到2,4-二氯酚的检出浓度为0.4-1000mg/L，最低检出浓度为0.4mg/L，EC₅₀为36.18mg/L。

图3为丙烯腈生物毒性实时检测结果，通过平均电流抑制率得到丙烯腈的检出浓度为0.5-7000mg/L，最低检出浓度为0.5mg/L，EC₅₀大于1000mg/L。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。