一种新型生物阴极水源水质毒性传感系统的制备技术方案

本发明专利技术公开了一种新型的水源水质毒性传感器的制备方法及应用，能够实现快速、灵敏、低成本对地表水和地下水等低有机物浓度水源水质的实时在线预警和监测。该传感系统选用我们课题组长期传代筛选的一株阴极特性菌Acinetobacter

【技术实现步骤摘要】
一种新型生物阴极水源水质毒性传感系统的制备


[0001]本专利技术涉及微生物电化学领域，具体涉及一种人造阴极生物膜的制备方法以及一种针对水源水质毒性物质实时预警和监测的装备。

技术介绍

[0002]水源水质是关乎人类健康和生命安全的重大问题。为保障饮用水水质，明确水源水标准，我国制定并不断完善相关规范，建设部也颁布了《生活饮用水水源水质标准》的行业标准，并不断对其进行修订。但随着社会的不断发展，一些新型污染物的不断出现所引起的环境污染和人体健康问题以及潜在的生态环境风险十分严峻。当这些污染物进入到天然水体，或是通过面源污染、突发性污染事件进入水源地时，直接威胁到饮用水安全。目前我国对水源地的监测预警主要采用化学监测方法，对水质毒性的评价指标主要是针对特定污染物(如典型重金属、有机农药等)的浓度限值要求，而不断出现的新型污染物以及污染物在环境中的复合体为水源水质毒性预警带来了新的挑战。而开发快速、稳定和可量化的水质毒性在线检测技术是解决该问题的关键。
[0003]微生物电化学传感器的兴起使得在线表征水质生物毒性的技术得到了极大的拓展。但近年来，微生物电化学传感器元件多以生物阳极为主。其原理是利用了微生物在阳极氧化有机物进行电子传递，转化为电信号，毒性物质的刺激会抑制微生物的活性从而产生电流响应。但生物阳极型毒性传感器多应用于含有机物的厌氧水体，针对不含/低浓度有机物的地表水或地下水等水源水质的测定需要进行额外添加有机物和消氧处理，这极大的增加了应用成本。另外，由于阳极生物膜中微生物的传质速度较慢以及较厚生物膜形成的传质屏障也限制了传感器的敏感性。而生物阴极型毒性传感器以电自养微生物为敏感元件，以溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)为电子受体，能够很好地适应水源水质的毒性预警和实时监测。
[0004]生物阴极的微生物利用无机碳源、氧气、无机盐和电极进行自养生长。这类好氧自养型微生物难以在短期内快速形成稳定的生物膜，并且基线电流较低，这极大的制约了生物阴极型毒性传感器的应用。所以，开发一种简单、快速制备人造电自养生物阴极膜的方法是提升生物阴极毒性传感器基线电流的关键。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的是开发低成本，无需外加有机碳源和消氧处理的水源水质实时在线预警和监测的生物阴极型毒性传感器。另外为了克服生物阴极好氧自养型微生物难成膜且成膜时间长等不足，筛选阴极特性菌种，提供一种能简单、快速制备人工生物膜的方法，能够实现快速、灵敏、低成本对水源水质毒性物质的实时监测。
[0006]本专利技术的技术方案是构建一种电自养生物阴极毒性传感系统，以实现快速、灵敏、低成本对水源水质的实时在线预警和监测，具体包括如下步骤：
[0007]1)电极的制备
[0008]剪取直径为3cm的碳毡作为工作电极，将其用丙酮浸泡过夜以去除加工过程中残留的有机或重金属污染物。然后依次用无水乙醇、超纯水分别超声清洗3次，每次20min以去除丙酮残留，60℃烘箱烘干备用。同样剪取直径为3cm的钢网作为对电极，用钛丝穿引作为电子集流体，乙醇冲洗，烘箱烘干备用。
[0009]2)阴极特性菌种的培养富集
[0010]Acinetobacter
‑
325是我们在MFC反应器中经过11代的长期传代培养纯化得到的一株阴极特性菌，经菌种鉴定其属于不动杆菌属。Acinetobacter
‑
325菌种保存于
‑
80℃低温冰箱，使用时需要将其接种至营养肉汤培养基(NB)进行复苏活化。制备500mL营养肉汤培养基溶液于高压蒸汽灭菌锅中121℃灭菌20min，冷却后以1:100接种活化好的Acinetobacter
‑
325菌液，37℃、200rpm的摇床中振荡培养约6h。4000rmp/min的速度离心20min，收集菌体。然后用无菌磷酸盐缓冲溶液(PBS)重悬离心清洗3次得到大量Acinetobacter
‑
325菌体。
[0011]3)人造阴极传感元件的构建
[0012]将预处理好的碳毡工作电极置于真空抽滤装置，然后将320目、1200目、2000目、5000目的活性炭或/和石墨按粒径顺序依次抽滤至碳毡孔径中，形成致密的导电电极。将收集的大量Acinetobacter
‑
325也以过膜抽滤的方式组装到碳毡电极上，为了保证Acinetobacter
‑
325在电极的稳定性，添加一定比例的Nafion膜溶液粘合剂。
[0013]4)传感器的组装
[0014]传感器由MEC反应器主体、电流采集系统和进样系统组成。MEC反应器为容量80mL的有机玻璃反应器，进出水口分别位于反应器下端及侧端。为了均匀布水，在响应主区域前端设置30mL的混合布水区(布水区挡板孔径为0.3cm)。混合布水区域内设有曝气针，以实现水样的充分混合并满足反应器内的高溶解氧浓度的要求。工作电极和对电极的安装均设有大小可调节的卡槽，便于更换电极。工作电极和对电极采用特殊设计的钛基电子收集器相连。两电极分别连接至无线供电电流采集器的相应端口，以收集实时电流响应。连续进样系统由注射泵和连接管组成。
[0015]5)毒性物质的响应测定
[0016]利用抽滤法将导电颗粒活性炭或/和石墨填充至碳毡电极制备成致密导电膜电极，并将Acinetobacter
‑
325固定于工作电极上，制得人造生物阴极膜毒性传感元件。传感器无线供电电流采集器0.7V的恒电压下稳定运行，并以时间电流曲线实时记录生物阴极传感器的电流响应，待可重复的稳定的基线电流出现后进行毒性冲击监测。以新型污染产物抗生素类物质为例，当其进入系统后，观测电流随时间的变化规律，计算时间
‑
电流曲线的斜率变化，以确定该人造电自养生物阴极膜毒性传感元件对不同浓度的抗生素的响应能力。时间
‑
电流曲线的斜率越大，说明该传感元件对毒性的响应越灵敏。
[0017]有益效果：
[0018]相比于现有技术，本专利技术通过将筛选的阴极特性菌Acinetobacter
‑
325经人工制备为生物膜方式开发出生物阴极毒性传感元件，克服了阴极生物膜难以成膜，传感器基线电流小的难题，实现了对地表水地下水等水源水质中毒性物质的实时预警和在线监测，为水源水质监测领域提供了一项新技术。
[0019]1.本专利技术的传感元件制备方法操作简单、成本较低且可大幅度提升传感器的基线
电流。
[0020]2.该系统不需要额外添加有机物作为电子供体以保持稳定的基线电流。
[0021]3.该传感元件可对多种有毒物质产生电流响应，可监测范围具有广谱性。
附图说明
[0022]图1新型生物阴极水源水质毒性传感系统装置示意图。
[0023]附图标注：1
‑
无线供电电流采集器，2
‑
注射泵，3
‑
连接管，4
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型生物阴极水源水质毒性传感系统的制备，其特征在于该传感系统选用我们长期传代筛选的一株阴极特性菌Acinetobacter
‑
325并将其人工制造成阴极生物膜毒性传感元件，实现快速、灵敏、低成本对水源水质毒性物质的实时预警和在线监测。主要通过以下步骤实现：1)电极的制备选用碳毡作为工作电极，将其用丙酮浸泡过夜以去除加工过程中残留的有机或重金属污染物。然后依次用无水乙醇、超纯水超声清洗以去除丙酮残留，烘干备用。钢网作为对电极，用钛丝穿引作为电子集流体，乙醇冲洗，烘干备用。2)阴极特性菌种的培养富集Acinetobacter
‑
325是我们在MFC反应器中经过11代的长期传代培养纯化得到的一株阴极特性菌，经菌种鉴定其属于不动杆菌属。Acinetobacter
‑
325菌种保存于
‑
80℃低温冰箱，使用时需要将其接种至营养肉汤培养基(NB)进行复苏活化。将Acinetobacter
‑
325菌种进行无菌培养，离心得到大量菌体。3)人造阴极传感元件的构建将预处理好的碳毡工作电极置于真空抽滤装置，然后将不同粒径的活性炭或/和石墨按粒径顺序依次抽滤至碳毡孔径中，形成致密的导电电极膜。将收集的大量Acinetobacter
‑
325以过膜抽滤的方式嵌入导电电极膜中，为了保证Acinetobacter
‑
325在电极的稳定性，可适当添加一定比例的Nafion膜溶液粘合剂。4)传感器的组装传感器由微生物电解池(Microbial Electrolytic Cell，MEC)反应器主体、电流采集系统和进样系统组成。MEC反应器为有机玻璃反应器，设有进出水口。为了均匀布水，在响应主区域前端设置混合布水区。工作电极和对电极的安装均设有大小可调节的卡槽，便于更换电极。工作电极和对电极采用特殊设计的钛基电子收集器引到外电路。两电极分别连接至无线供电电流采集器的相应端口，以收集电流响应。连...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鑫，廖承美，韩沂琏，李楠，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：