一种即时检测水质生物毒性的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种即时检测水质生物毒性的方法及系统。现有基于电化学活性微生物的水质生物毒性即时检测技术存在着细菌容易脱附、毒性污染物难以渗透等问题。同时，现有技术均无法实现同步制备传感器及检测水质生物毒性，不能满足水质生物毒性现场检测和即时检测的需要。本发明专利技术设计了一种即时检测水质生物毒性的方法，该方法既能够将EAB直接暴露于水样中，并利用静电力强化EAB与电极的附着，避免EAB脱附。同时，该方法只利用同一个系统，能够同步实现EAB生物膜制备与水质生物毒性即时检测，满足了水质生物毒性现场检测和应急检测的需要。足了水质生物毒性现场检测和应急检测的需要。足了水质生物毒性现场检测和应急检测的需要。

【技术实现步骤摘要】
一种即时检测水质生物毒性的方法及系统


[0001]本专利技术属于急性水污染早期预警和水质生物毒性检测领域，具体涉及一种即时检测水质生物毒性的方法及系统。

技术介绍

[0002]随着社会经济和工业生产的快速发展，有毒污染物排放造成的急性水污染已成为严重的全球性环境问题。水质监测是水污染早期预警的重要方式。目前，水质监测的主要手段是理化参数分析，能够定量常见的污染物，对于污染物总量控制和水风险防控有重要的作用。然而，理化分析无法检测新型和未知的污染物，也无法直接地和综合地获得水质生物毒性。为了解决这一问题，生物监测已经得到了发展。生物监测技术是一种广谱的和非特异性的检测方法。基于有毒污染物对生物代谢的不利影响，通过分析生物代谢特征的变化，直接测定水质生物毒性。生物监测技术的关键是受试生物。电化学活性微生物(Electrochemically active bacteria，EAB)是目前研究最多的受试生物之一，EAB能够在维持代谢的同时产生生物电信号。因此，通过测量EAB的生物电信号即可测定水质生物毒性，检测过程不受水体色度、浊度、氯离子浓度的影响，被认为具有良好的应用前景。
[0003]一系列研究已经利用EAB检测了重金属、抗生素、苯系物、有机磷农药、除草剂等几十种毒害污染物。同时，商业的水质生物毒性检测系统已经被建立并实际应用，表明了基于EAB的水质生物毒性检测应用于早期预警突发性水污染事件具有可行性。目前，大部分研究中基本使用EAB混菌的天然成熟生物膜作为传感元件。生物膜是胞外聚合物包裹的有组织的微生物群体，具有自适应水体流动、自维持、自修复等优势，因此利用EAB混菌的天然生物膜能够在线监测水质生物毒性。实际上，除了原位连续的长期的水质生物毒性监测外，机动的和应急的水质毒性即时检测也是早期预警水污染的重要方面。然而，EAB混菌的天然生物膜形成是一个复杂的过程，混菌中EAB需要先定殖在电极表面、再富集成为优势菌种、最终增殖形成生物膜。由于EAB混菌天然生物膜的孵育过程需要几天乃至几周的启动时间，显然不能满足水质生物毒性即时检测的需求。
[0004]针对混菌EAB天然成熟生物膜制备时间冗长的问题，研究人员利用纯培养EAB，通过被动物理吸附将纯培养EAB快速附着在电极表面，制备基于被动物理吸附的纯培养EAB早期生物膜，用于即时检测水质生物毒性。纯培养EAB早期生物膜的制备时间仅60分钟，同时能够产生明显的电信号，一定程度上满足了水质生物毒性即时检测的需求。但是，纯培养EAB早期生物膜中细菌在电极表面的附着很不稳定，存在着可逆吸附，容易脱附。细菌脱附直接降低纯培养EAB早期生物膜的电信号，导致水质生物毒性检测的准确性差。因此，基于被动物理吸附的纯培养EAB早期生物膜也不能完全满足水质生物毒性即时检测的需求。
[0005]利用基于固定化微生物的纯培养EAB人工生物膜一定程度上克服了基于被动物理吸附的纯培养EAB早期生物膜存在的问题。研究人员将纯培养的EAB固定在凝胶中，制备基于固定化微生物的纯培养EAB人工生物膜，也能够在60分钟内制备完成生物膜，并产生明显的电信号。同时，纯培养EAB人工生物膜中的细菌被紧密包裹于凝胶中，不容易脱附。然而，
基于固定化微生物的纯培养EAB人工生物膜也不能完全满足水质生物毒性即时检测的需求，这是因为：
①
EAB被包裹在凝胶中不能直接与水样接触，人工生物膜的凝胶状物质也不利于有毒污染物透和传质，导致水质生物毒性检测的灵敏度低；
②
人工生物膜制备依赖专门的实验室环境和技术人员，操作复杂、存在技术门槛；
③
人工生物膜不易保存，需要即用即制，但人工生物膜制备需要在实验室中完成，而水质生物毒性即时检测需要在现场完成，显然无法同时完成人工生物膜制备和水质生物毒性现场检测。
[0006]针对上述问题，本专利技术提出一种即时检测水质生物毒性的方法和系统。该方法既能够将EAB直接暴露于水样中，并利用静电力强化EAB与电极的附着，避免EAB脱附。同时，该方法只利用同一个系统，能够同步实现EAB生物膜制备与水质生物毒性即时检测。

技术实现思路

[0007]本专利技术的内容是：一种即时检测水质生物毒性的方法及系统，该方法实施方式为：
[0008]①
利用即时检测水质生物毒性的系统，利用表面高正电性的修饰电极，将电化学活性微生物(EAB)菌悬液贯穿流过电极，基于静电力EAB附着在电极表面，形成EAB早期生物膜；
[0009]②
将待测水质生物毒性的电解液贯穿流过附着有EAB早期生物膜的修饰电极，将EAB与待测水质生物毒性的电解液充分暴露；
[0010]③
最后将附着有EAB早期生物膜的修饰电极作为工作电极，构建微生物电化学水质生物毒性即时检测传感器，测量传感器的电化学信号，判断水质毒性。
[0011]本专利技术所设计的即时检测水质生物毒性的系统，包括水样杯，菌液杯，电解液杯，纯水杯，计量及多排阀模块，混合杯A，混合杯B，混合杯C，传感器A进样三通阀，传感器B进样三通阀，传感器A进样泵，传感器B进样泵，传感器A入水口三通阀，传感器B入水口三通阀，传感器A，传感器B，传感器A出水口三通阀，传感器B水口三通阀，自循环蠕动泵，传感器电信号采集系统，出水处理模块。
[0012]本专利技术所设计的微生物电化学水质生物毒性即时检测传感器，包括入水口，上加热丝口，电极室上腔体，上加热丝，集电子片，修饰电极，电极室中腔体A，电极室中腔体B，电极室下腔体，对电极孔，参比电极孔，下加热丝，下加热丝口，出水口，温度传感器口；所述修饰电极位于电极室中腔体A和电极室中腔体B之间，将电极室中腔体A旋转进入电极室中腔体B，达到固定修饰电极并与集电子片接触的效果；所述电极室上腔体中含有入水口与上加热丝，上加热丝对电极室上腔体加热；所述电极室下腔体中含有对电极孔和参比电极孔，分别插入对电极和参比电极；所述电极室下腔体中含有出水口与下加热丝，下加热丝对电极室下腔体加热；所述电极室下腔体中有温度传感器口，插入温度传感器，监控温度，控制上加热丝和下加热丝加热，维持传感器内部温度稳定。
[0013]本专利技术所建立的一种即时检测水质生物毒性的方法，该方法具体实施步骤为：
[0014]①
将EAB菌悬液加入到菌液杯中；
[0015]②
利用计量及多排阀模块，将菌液杯中EAB菌悬液与电解液杯中电解液流入混合杯B，得到EAB混合溶液；
[0016]③
利用传感器A进样泵，将混合杯B中EAB混合溶液通过传感器A进样三通阀，传感器A入水口三通阀进入传感器A，并从传感器A出水口三通阀流出至出水处理模块，在传感器
A中形成EAB早期生物膜；在传感器A中，上加热丝和下加热丝对传感器A加热，维持传感器A内部温度稳定；
[0017]④
与步骤
③
同时，利用传感器A进样泵，将混合杯B中EAB混合溶液通过传感器B进样三通阀，传感器B入水口三通阀进入传感器B，并从传感器B出水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种即时检测水质生物毒性的方法及系统，其特征在于：该方法实施方式为，
①
利用即时检测水质生物毒性的系统，利用表面高正电性的修饰电极，将电化学活性微生物(EAB)菌悬液贯穿流过电极，基于静电力EAB附着在电极表面，形成EAB早期生物膜；
②
将待测水质生物毒性的电解液贯穿流过附着有EAB早期生物膜的修饰电极，将EAB与待测水质生物毒性的电解液充分暴露；
③
最后将附着有EAB早期生物膜的修饰电极作为工作电极，构建微生物电化学水质生物毒性即时检测传感器，测量传感器的电化学信号，判断水质毒性。2.如权利要求一所述的即时检测水质生物毒性的系统，其特征在于，包括水样杯(1)，菌液杯(2)，电解液杯(3)，纯水杯(4)，计量及多排阀模块(5)，混合杯A(6)，混合杯B(7)，混合杯C(8)，传感器A进样三通阀(9)，传感器B进样三通阀(10)，传感器A进样泵(11)，传感器B进样泵(12)，传感器A入水口三通阀(13)，传感器B入水口三通阀(14)，传感器A(15)，传感器B(16)，传感器A出水口三通阀(17)，传感器B出水口三通阀(18)，自循环蠕动泵(19)，传感器电信号采集系统(20)，出水处理模块(21)。3.如权利要求一所述的微生物电化学水质生物毒性即时检测传感器，其特征在于，包括入水口(22)，上加热丝口(23)，电极室上腔体(24)，上加热丝(25)，集电子片(26)，修饰电极(27)，电极室中腔体A(28)，电极室中腔体B(29)，电极室下腔体(30)，对电极孔(31)，参比电极孔(32)，下加热丝(33)，下加热丝口(34)，出水口(35)，温度传感器口(36)；所述修饰电极(27)位于电极室中腔体A(28)和电极室中腔体B(29)之间，将电极室中腔体A(28)旋转进入电极室中腔体B(29)，达到固定修饰电极(27)并与集电子片(26)接触的效果；所述电极室上腔体(24)中含有入水口(22)与上加热丝(25)，上加热丝(25)对电极室上腔体(24)加热；所述电极室下腔体(30)中含有对电极孔(31)和参比电极孔(32)，分别插入对电极和参比电极；所述电极室下腔体(30)中含有出水口(36)与下加热丝(33)，下加热丝(33)对电极室下腔体(30)加热；所述电极室下腔体(30)中有温度传感器口(36)，插入温度传感器，监控温度，控制上加热丝(25)和下加热丝(33)加热，维持传感器内部温度稳定。4.如权利要求一所述的一种即时检测水质生物毒性的方法，该方法
①
具体实施步骤为：将EAB菌悬液加入到菌液杯(2)中；利用计量及多排阀模块(6)，将菌液杯(2)中EAB菌悬液与电解液杯(3)中电解液流入混合杯B(7)，得到EAB混合溶液；利用传感器A进样泵(11)，将混合杯B(7)中EAB混合溶液通过传感器A进样三通阀(9)，传感器A入水口三通阀(13)进入传感器A(15)，并从传感器A出水口三通阀(17)流出至出水处理模块(21)，在传感器A(15)中形成EAB早期生物膜；在传感器A(15)中，上加热丝(25)和下...

【专利技术属性】
技术研发人员：易越，王保国，毛执鹏，罗霖，罗爱芹，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：