專利名稱：一種沉積物微生物還原活性檢測裝置及方法
技術領域：
本發明屬于環境檢測技術領域，具體涉及一種利用微生物電化學檢測沉積物微生物還原活性的裝置和方法。
背景技術：
水體沉積物是生態系統中能量轉化和碳循環的重要場所。微生物在厭氧環境中的生長通常可以使用其他電子受體而不是氧。沉積物中有機質的降解過程通常伴隨著一系列電子受體，包括氧氣、硝酸鹽、硫酸鹽、鐵的氧化物、錳的氧化物的還原。定量研究有機碳礦化途徑及其對有機質礦化的相對貢獻對揭示能量分配和碳循環具有重要的生態學和環境學意義，也是揭示多種氧化還原敏感性微量組分生物地球化學循環的基礎。理論上講，測出各電子受體的微生物還原活性，即可得出各路徑對有機質的礦化速率及相對貢獻。個別礦化路徑(如反硝化和硫酸鹽還原)可直接測定，而另一些路徑的速率至今仍無法直接測定，只能間接獲得。現在，世界范圍內廣泛使用的各種電子受體還原活性測定方法復雜，費時費力，測定過程也不夠穩定，測定值隨操作者的熟練程度而變化，且很難實現現場實時監測。以硫酸鹽還原速率、鐵還原速率和硝酸鹽還原速率的測定為例。硫酸鹽還原速率的測定可通過35S示蹤技術，將沉積物樣品置于具塞玻瓶中，注入無載體同位素示蹤劑，密封瓶口，在5°c的N2環境中培養6-7 h，中間取幾個時間點取樣，通過兩步蒸餾法分別測得AVS和CRS，即總還原性的硫，從而得到硫酸鹽還原速率。測定鐵還原速率，取10-20ml沉積物于N2-CO2 (93:7,vol/vol)條件下放置于25ml血清瓶中，膠塞封好。在20° C的黑暗條件下密閉靜置培養，在不同時間點用注射器取樣，同時測定O. 5M HCl提取的二價鐵含量及在酸性條件下O. 25M羥胺將三價鐵轉化成二價鐵后測定的二價鐵含量，得出三價鐵含量隨時間的變化。硝酸鹽還原速率的測定采用同位素配對技術，將沉積物的上層水充入50-100 μ M 15NO3，密閉條件下振蕩培養O. 5-3h，將沉積物混勻，取樣，用質譜法測定具有標記的氮氣15N2，包括14N15N和15N15N,可由這含有15N的氮氣含量判定未標記的NO3的反硝化速率。以上測定方法操作過程均較為復雜，且費時費力。生物反應具有高度的專一性，生物傳感器正是利用生物反應的這一特點對待測物質的濃度和性質進行精確測定。與傳統的化學測定方法相比，生物傳感器法往往測定周期短，操作簡單。近年來，微生物燃料電池迅速發展，提供了一種全新的生物傳感方法和裝置。迄今為止，關于微生物燃料電池的中國專利已超過130項。許多研究者已經開發出作為有機物和生化需氧量傳感器及作為有毒物質的檢測和報警裝置的微生物燃料電池，而用此類生物電化學活性反應器檢測沉積物微生物還原活性的方法和裝置還未見報道。微生物燃料電池是一種在微生物催化作用下，將化學能轉化為電能的裝置。近年來，微生物燃料電池用于BOD的在線監測受到越來越多的關注，經研究發現BOD濃度與微生物燃料電池(MFC)的穩定輸出電流或輸出電量呈良好的線性關系，可以通過檢測微生物燃料電池的輸出電量，測定樣品中BOD的含量。同樣地，我們證實沉積物中的鐵含量與沉積物微生物燃料電池(SMFC)的輸出電壓有良好的對應關系。基于以前的研究，本發明采用單極室類似結構為核心的微生物電化學活性裝置作為沉積物微生物還原活性檢測裝置的核心，與輸出信號系統相結合，共同構成一種穩定、快速準確、使用范圍廣的沉積物還原活性檢測方法和裝置。
發明內容
本發明的目的在于克服現有的沉積物微生物還原活性監測技術的不足，根據微生物電化學技術，提供一種沉積物微生物還原活性的測定方法及裝置，以準確地測定沉積物微生物還原活性，且具有省時、裝置簡單、操作容易的優點。為實現第一目的，本發明采用如下技術方案
一種沉積物微生物還原活性檢測裝置，所述檢測裝置包括微生物電化學活性反應單元和信號采集處理單元； 固定陽極組成陽極部分A ;隔板與陰極室固定陰極組成陰極部分B ；陽極部分A和陰極部分B之間預留一定空隙并用螺栓固定為一個整體；所述微生物電化學活性反應單元陰極和陽極和外電阻串聯形成閉合回路，并與信號采集單元連接。所述微生物電化學活性反應單元的陽極、陰極均采用碳布或石墨片，所述陰極以氧氣、鐵氰化鉀或高錳酸鉀為電子受體。所述微生物電化學活性反應單元的陰極、陽極均由銅線導出外接外電阻。陰極室內部為兩側或其中一側開口的圓柱體或立方體空腔，頂端設有方便更換電解液的水管和曝氣管。所述各隔板中央分別設置與陰極室空腔形狀與大小相適應的圓形或方形開口。所述微生物電化學活性反應單元的陰極室和各隔板均由丙烯酸材料加工而成，陽極部分A和陰極部分B之間設有空隙以增大陽極與沉積物的接觸面積，所述的空隙為1-15cm。本發明的另一目的是提供一種檢測沉積物還原活性的方法，以穩定、快速、準確地進行沉積物還原活性的檢測。為實現第二目的，本發明采用如下技術方案
一種應用于快速測定沉積物中微生物還原活性的方法，所述方法包括如下步驟
(O構建微生物電化學活性反應單元，連接外界電阻和信號采集單元；
(2)配制陰極液，準備具有不同電子受體活性的沉積物樣品；
(3)測定各個沉積物樣品微生物還原活性；通過調整外電阻以提高電化學活性反應單元的靈敏度，選擇靈敏度最高的外電阻值，在線記錄輸出電壓；建立各種電子受體還原活性與微生物電化學活性裝置所產電量的數學關系；
(4)通過微生物電化學活性裝置產生的輸出電壓計算電量值，代入數學方程計算沉積物微生物還原活性，并與步驟(3)測得的還原活性值進行比較、驗證。所述沉積物微生物還原活性包括硝酸鹽還原活性、鐵氧化物還原活性、硫還原活性、錳還原活性、CO2還原活性。所述的檢測對象為水體沉積物或濕地或稻田土壤或污泥或淤泥。
以下結合附圖對本發明作進一步的詳細介紹
本發明所述的沉積物微生物還原活性檢測裝置包括微生物電化學活性反應單元，其感應由于沉積物還原活性變化而引起的電壓變化；信號采集單元，其采集、控制信號值并自動檢測沉積物還原活性。所述微生物電化學活性反應單元巧妙地將單極室結構應用到沉積物中，極室內曝氣或水流循環或使用鐵氰化鉀或高錳酸鉀提供電子受體。檢測沉積物微生物還原活性時，將該微生物電化學活性反應單元投放于待檢測沉積物中，所構建極室為陰極室，極室外沉積物充當天然的陽極室，調整外電阻大小以提高系統靈敏度。由信號采集單元采集微生物電化學活性反應單元輸出的電壓信號，從而計算出沉積物微生物還原活性。上述微生物電化學活性反應單元包括陽極部分和陰極部分。其中兩隔板固定陽極電極組成陽極部分，陽極兩面直接接觸待測沉積物；另一隔板與陰極室固定陰極電極組成陰極部分。陽極部分和陰極部分之間預留一定空隙并用螺栓固定為一個整體。所述空隙用 以增大陽極與沉積物的接觸面積，該空隙優先為1-15 cm,更優選5-10 cm,最優先7. 5 cm。陰極室內部為一端開口的圓柱體或方體空腔，頂端設開口方便反應器內電解液的更換和曝氣管。3個隔板中央均打出與圓形空腔開口大小相同的圓形或方形洞。所述的陽極和陰極均優先采用碳布。陽極碳布置于兩隔板之間，與沉積物直接接觸；陰極碳布置于陰極室外側，與陰極室液體接觸的一側用PTFE做防水處理，與沉積物接觸的一側載有鉬催化劑。陰極室曝氣或使用鐵氰化鉀作為電解液，外部回路優先使用1000 Ω的外電阻。陰陽極均由銅線導出外接電阻。所述的微生物電化學活性單元由極室、外電阻和導線組成，將連接好的微生物電化學活性單元置于待檢測沉積物中，陰極以氧氣或鐵氰化鉀或高錳酸鉀為電子受體，陽極直接接觸厭氧沉積物；將陰陽極和外電阻用導線串聯在一起形成一個回路，并與信號采集單元相連接，其中優選所述的信號采集單元設有存儲單元和顯示單元，所采集的數據經計算機處理后進行上傳存儲并實時顯示在顯示單元上，反映沉積物微生物還原活性。本發明所述的沉積物微生物還原活性，包括硝酸鹽還原活性、鐵氧化物還原活性、硫還原活性、錳還原活性、CO2還原活性等。本發明所述方法用微生物電化學活性來反映沉積物的微生物還原活性。具體而言，使用所述的微生物電化學活性單元測定沉積物微生物還原活性具體包括下述步驟
1、構建微生物電化學活性單元按照前述內容準備丙烯酸隔板、陰極室、陽極、陰極、導線、外電阻及信號采集單元；
2、采集若干具有不同電子受體還原活性的沉積物樣品，用傳統方法測定其還原活性；
3、通過調整外電阻以提高其靈敏度，選擇靈敏度最高的外電阻值，在線記錄輸出電
壓；
4、作出各電子受體還原活性與電池電量的數學關系；
5、采集某沉積物樣品，通過電化學活性裝置產生的輸出電壓計算電量值，代入數學方程計算沉積物的還原活性，并與傳統方法測得的值進行比較、驗證。本發明的有益效果如下
I、本發明利用新型微生物電化學活性反應單元構建沉積物微生物還原活性傳感器，快速測定沉積物中各種電子受體的還原活性，克服了現有測定方法操作復雜、費時費力、測定過程不穩定等缺陷，且減少了人工工作量；
2、本發明用于沉積物微生物還原活性的檢測，通過大量實驗總結得到利用微生物電化學活性反應單元測定沉積物還原活性的最適宜檢測條件，使得所述檢測方法更加客觀、操作過程簡單并可程序化、測定過程穩定和快捷、測定結果準確、靈敏度高、誤差小、可實現在線檢測、成本低、可普遍推廣應用。
圖I本發明沉積物還原活性檢測裝置中微生物電化學活性反應單元裝配 圖2本發明檢測裝置的結構示意圖。 附圖標記
I-陰極室;2_陰極;3_陽極；4-水管；5-曝氣管;6_隔板；7-隔板；8-隔板；
A-陽極部分；B-陰極部分；
C-微生物電化學活性反應單元；D-外電阻；E-信號采集處理單元。
具體實施例方式實施例I沉積物微生物還原活性檢測裝置
如圖2所示的一種沉積物微生物還原活性檢測裝置，包括微生物電化學活性反應單元C和信號采集處理單元E，其中電化學活性反應單元C還包括外電阻D ；
如圖I所示，微生物電化學活性反應單元C包括陽極部分A、陰極部分B;其中隔板7、隔板8固定陽極3組成陽極部分A ;隔板6與陰極室I固定陰極2組成陰極部分B ;陽極部分A和陰極部分B之間預留一定空隙并用螺栓固定為一個整體；空隙以增大陽極與沉積物的接觸面積，所述的空隙為7. 5cm。微生物電化學活性反應單元陰極2和陽極3和外電阻D串聯形成閉合回路，并與信號采集單元E連接。其中，陰極室I內部為靠近陰極2的一側開口的圓柱體或立方體空腔，頂端設有方便更換電解液的水管4和曝氣管5。隔板6、隔板7和隔板8中央分別設置與陰極室I空腔形狀與大小相適應的圓形或方形開口。本實施例中，微生物電化學活性反應單元C的陰極室I和各隔板均由丙烯酸材料加工而成。實施例2沉積物微生物還原活性檢測裝置
與實施例I相比，區別點僅在于本實施例中，微生物電化學活性反應單元C的陽極3、陰極2均采用碳布，陰極2以氧氣、鐵氰化鉀或高錳酸鉀為電子受體。 實施例3沉積物微生物還原活性檢測裝置
與實施例2相比，區別點僅在于，本實施例中微生物電化學活性反應單元C的陰極2、陽極3均由銅線導出外接外電阻。陽極3置于隔板7和隔板8之間；陰極2置于隔板6和陰極室I之間，其中，與陰極室I接觸的一側用PTFE做防水處理，與隔板6接觸的一側載有鉬催化劑。實施例4沉積物微生物還原活性檢測裝置
與實施例I相比，區別點僅在于本實施例中陽極部分A和陰極部分B之間的空隙為5、10 或 12cm。
實施例5沉積物微生物還原活性的方法
應用于快速測定沉積物中各種電子受體的微生物還原活性的方法，包括如下步驟 (O構建微生物電化學活性反應單元，連接外界電阻和信號采集單元；
(2)配制陰極液，準備具有不同電子受體活性的沉積物樣品；
(3)測定各個沉積物樣品微生物還原活性；通過調整外電阻以提高電化學活性反應單元的靈敏度，選擇靈敏度最高的外電阻值，在線記錄輸出電壓；建立各種電子受體還原活性與微生物電化學活性裝置所產電量的數學關系；
(4)通過微生物電化學活性裝置產生的輸出電壓計算電量值，代入數學方程計算沉積物微生物還原活性，并與步驟(3)測得的還原活性值進行比較、驗證。實施例6
與實施例5相比，區別點僅在于本實施例中沉積物微生物還原活性為硝酸鹽還原活性、鐵氧化物還原活性、硫還原活性、錳還原活性或CO2還原活性。實施例7
與實施例5相比，區別點僅在于本實施例中檢測對象為水體沉積物或濕地或稻田土壤或污泥或淤泥。上述實施例中的實施方案可以進一步組合或者替換，且實施例僅僅是對本發明的優選實施例進行描述，并非對本發明的構思和范圍進行限定，在不脫離本發明設計思想的前提下，本領域中專業技術人員對本發明的技術方案作出的各種變化和改進，均屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種沉積物微生物還原活性檢測裝置，其特征在于所述檢測裝置包括微生物電化學活性反應單元和信號采集處理單元； 所述微生物電化學活性反應單元包括陽極部分A、陰極部分B和外電阻；其中隔板(7)、隔板(8)固定陽極(3)組成陽極部分A ;隔板(6)與陰極室(I)固定陰極(2)組成陰極部分B ;陽極部分A和陰極部分B之間預留一定空隙并用螺栓固定為一個整體；所述微生物電化學活性反應單元陰極(2)和陽極(3)和外電阻串聯形成閉合回路，并與信號采集單元連接。
2.如權利要求I所述的檢測裝置，其特征在于所述微生物電化學活性反應單元的陽極(3)、陰極(2)均采用碳布或石墨片，所述陰極(2)以氧氣、鐵氰化鉀或高錳酸鉀為電子受體。
3.如權利要求I所述的檢測裝置，其特征在于所述微生物電化學活性反應單元的陰極(2)、陽極(3)均由銅線導出外接外電阻。
4.如權利要求I所述的檢測裝置，其特征在于陰極室(I)內部為兩側或其中一側開口的圓柱體或立方體空腔，頂端設有方便更換電解液的水管(4)和曝氣管(5)。
5.如權利要求I所述的檢測裝置，其特征在于所述隔板(6)、隔板(7)和隔板(8)中央分別設置與陰極室(I)空腔形狀與大小相適應的圓形或方形開口。
6.如權利要求I所述的檢測裝置，其特征在于所述微生物電化學活性反應單元的陰極室(I)和各隔板均由丙烯酸材料加工而成，隔板(6)和隔板(7)間設有空隙以增大陽極與沉積物的接觸面積，所述的空隙為1-15 cm ο
7.如權利要求2所述的檢測裝置，其特征在于所述的陽極(3)置于隔板(7)和隔板(8)之間；陰極(2)置于隔板(6)和陰極室(I)之間，其中，與陰極室(I)接觸的一側用PTFE做防水處理，與隔板(6)接觸的一側載有鉬催化劑。
8.權利要求I所述的檢測裝置檢測沉積物微生物還原活性的方法，所述方法應用于快速測定沉積物中各種電子受體的微生物還原活性，其特征在于所述方法包括如下步驟 (O構建微生物電化學活性反應單元，連接外界電阻和信號采集單元； (2)配制陰極液，準備具有不同電子受體活性的沉積物樣品； (3)測定各個沉積物樣品微生物還原活性；通過調整外電阻以提高電化學活性反應單元的靈敏度，選擇靈敏度最高的外電阻值，在線記錄輸出電壓；建立各種電子受體還原活性與微生物電化學活性裝置所產電量的數學關系； (4)通過微生物電化學活性裝置產生的輸出電壓計算電量值，代入數學方程計算沉積物微生物還原活性，并與步驟(3)測得的還原活性值進行比較、驗證。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于所述沉積物微生物還原活性包括硝酸鹽還原活性、鐵氧化物還原活性、硫還原活性、錳還原活性、CO2還原活性。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述的檢測對象為水體沉積物或濕地或稻田土壤或污泥或淤泥。
全文摘要
本發明提供一種沉積物微生物還原活性的檢測裝置及方法，所述的檢測裝置包括微生物電化學活性反應單元、信號采集處理單元。其中微生物電化學活性反應單元巧妙地將單極室結構應用到沉積物中，極室內曝氣或水流循環或使用鐵氰化鉀或高錳酸鉀提供電子受體。檢測沉積物微生物還原活性時，將該微生物電化學活性反應單元投放于待檢測沉積物中，所構建極室為陰極室，極室外沉積物充當天然的陽極室，調整外電阻大小以提高系統靈敏度。由信號采集單元采集微生物電化學活性反應單元輸出的電壓信號，從而計算出沉積物微生物還原活性。本發明所述系統和方法靈敏度高、結構簡單、建造運行和維護成本低，是一種有效檢測沉積物微生物還原活性的方法和技術。
文檔編號G01N27/416GK102692441SQ20121020294
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者周艷麗, 江和龍, 趙志偉 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所