CN104004655A - 用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，包括培养基容器、蠕动泵、培养反应器、气体橱、抽换气系统、计算机、电化学工作站。本发明的有益效果：含有三对平行培养反应室，在电刺激类实验中可实现完全平行对比；六个培养反应室可独立进行连续培养，提供不同流动速度与不同电极表面剪切力；长时间保持气液密闭及隔绝化学与生物污染；实现实验过程中培养液采样与电极表面采样；广泛适应的接口与模块化设计，方便地根据实验需求改装、加装特定电极或其他部件；主要针对于海洋来源的微生物，适用于包括环境样本、纯培养样本在内的多种生物样本分析。

Description

用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统
技术领域
本发明涉及微生物电化学技术与培养技术领域，特别是指一种针对深海微生物研究的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统。
背景技术
微生物燃料电池技术能够将污水中有机物所含的能量转换成电能收集起来，利用微生物电化学反应开发燃料电池、处理污水等具有巨大潜力；同时，采用电化学方法研究微生物代谢过程及微生物-环境互作机理受到广泛关注；另一方面，海洋作为了解尚浅的自然资源库，具有巨大的研究与开发潜力，海洋来源微生物的研究对于解释微生物-环境互作机理、开发新型自然资源具有重要作用。然而，至今已发表或公开的设备方案大多基于传统化学研究，研究范围较单一，难以适用于海洋来源的微生物富集等研究中对多类型生物样本适用性、连续培养、实验中采样及实时参数检测等功能的综合需求，成为海洋来源微生物电化学研究与应用中的重大障碍。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种针对深海微生物研究的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，在实现连续培养、实验中采样等多任务情况下，维持培养体系内无污染，可根据不同实验，更换所需电极等组件，在连续培养、实时参数检测等不中断实验的情况下，进行培养液采样或电极表面采样。
本发明提供一种用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，包括培养基容器、蠕动泵、培养反应器、气体橱、抽换气系统、计算机、电化学工作站；
所述培养基容器用于通过蠕动泵为培养反应器提供培养基；所述气体橱用于通过抽换气系统为培养反应器提供气体；所述计算机用于输入控制指令；所述电化学工作站用于根据计算机输入的控制指令实时检测培养反应器的数据参数。
优选地，所述电化学工作站还用于根据计算机输入的控制指令向培养反应器输入电刺激。
优选地，所述计算机还用于存储电化学工作站所检测到的数据参数。
优选地，还包括采样系统，其中，所述采样系统连接所述培养反应器，所述采样系统用于采样培养反应器中的培养物。
优选地，还包括恒温培养箱，其中，所述培养反应器设置在所述恒温培养箱内，述恒温培养箱用于为培养反应器提供温度可调节环境。
优选地，所述培养反应器包括交换膜、有机玻璃槽、硅橡胶密封圈、高纯石墨电极、硅橡胶密封垫、有机玻璃板、螺钉，其中，所述交换膜的两侧由内而外分别通过螺钉呈对称结构依次固定有机玻璃槽、硅橡胶密封圈、高纯石墨电极、硅橡胶密封垫和有机玻璃板。
优选地，所述培养反应器包括多对平行培养反应室。
优选地，所述培养反应室为能够独立进行连续培养的培养反应室。
优选地，有机玻璃槽设置有掏空部分，有机玻璃槽的侧面设置有开孔，开孔连通了有机玻璃槽的掏空部分与有机玻璃槽的外部；
交换膜分布在其两侧的有机玻璃槽的掏空部分之间；
高纯石墨电极的内侧通过硅橡胶密封圈与有机玻璃槽的非掏空部分的外侧进行密封连接；
高纯石墨电极的外侧通过硅橡胶密封垫与有机玻璃板的内侧进行密封连接。
优选地，有机玻璃槽侧面设置的开孔内塞入有硅橡胶塞实现有机玻璃槽的气液密闭；
蠕动泵通过导管与普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽内，从而连接蠕动泵与培养反应器；
抽换气系统通过导管与普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽内，从而连接抽换气系统与培养反应器；
采样系统连接穿刺针，穿刺针插入硅橡胶塞，从而连接采样系统与培养反应器；
电化学工作站连接培养反应器的高纯石墨电极；高纯石墨电极含一铜导线，通过将电极线一端与铜导线相连，电极线另一端插入电化学工作站信号输入输出口中，从而连接高纯石墨电极与电化学工作站。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、含有三对平行培养反应室，在电刺激类实验中可实现完全平行对比；
2、六个培养反应室可独立进行连续培养，提供不同流动速度与不同电极表面剪切力；
3、长时间保持气液密闭及隔绝化学与生物污染；
4、实现实验过程中采样与电极表面采样；
5、广泛适应的接口与模块化设计，方便地根据实验需求改装、加装特定电极或其他部件；
6、主要针对于海洋来源的微生物，适用于包括环境样本、纯培养样本在内的多种生物样本分析。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的原理框图。
图2为图1中培养反应器的结构示意图。
图3为本发明第一实施例中有机玻璃板的结构示意图。
图4为本发明第一实施例中有机玻璃板的结构参数图。
图5为本发明第一实施例中有机玻璃板、硅橡胶密封垫、高纯石墨电极的结构示意图，其中，阴影部分表示重叠的硅橡胶密封垫和高纯石墨电极。
图6为本发明第一实施例中有机玻璃槽的结构示意图。
图7为本发明第一实施例中有机玻璃槽的结构参数图。
图8为本发明第一实施例中交换膜以及重叠的有机玻璃槽和硅橡胶密封圈的结构示意图，其中，阴影部分表示交换膜。
图9为示出结构参数的本发明第二实施例中培养反应器的正视图。
图10为示出结构参数的本发明第二实施例中培养反应器沿图9中点划线的剖面图。
图11为示出结构参数的本发明第二实施例中培养反应器的左视图。
图12为示出结构参数的本发明第二实施例中培养反应器的顶视图。
图中：
A为螺孔；
B为掏空部分；
C为侧面开孔；
D为高纯石墨电极铜导线出口；
E为广适应性接口；
F为2mm厚的硅橡胶垫片；
G为18mm厚的有机玻璃板；
H为18mm厚的有机玻璃板；
I为2mm厚的硅橡胶垫片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明针对现有技术的不足提供一种针对深海微生物研究的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，如图1所示，包括培养基容器、蠕动泵、培养反应器、气体橱、抽换气系统、计算机和电化学工作站，所述培养基容器用于通过蠕动泵为培养反应器提供培养基；所述气体橱用于通过抽换气系统为培养反应器提供气体；所述计算机用于输入控制指令；所述电化学工作站用于根据计算机输入的控制指令实时检测培养反应器的数据参数；所述电化学工作站还用于根据计算机输入的控制指令为培养反应器输入电刺激；所述计算机还用于存储电化学工作站所检测到的数据参数。
所述培养反应器还连接有用于采样培养反应器中的培养物的采样系统。
所述培养反应器外还设有用于为培养反应器提供温度可调节环境的恒温培养箱。
如图2所示，所述培养反应器包括一交换膜7、两有机玻璃槽6、两硅橡胶密封圈5、两高纯石墨电极4、两硅橡胶密封垫3、两有机玻璃板2和十字螺钉1，所述十字螺钉分别固定培养反应器四周，所述交换膜的两侧由内而外分别通过螺钉呈对称结构依次固定有机玻璃槽、硅橡胶密封圈、高纯石墨电极、硅橡胶密封垫和有机玻璃板。有机玻璃板夹住有机玻璃槽，一起构成了培养反应室。
具体地，有机玻璃槽设置有掏空部分，有机玻璃槽的侧面设置有开孔，开孔连通了有机玻璃槽的掏空部分与有机玻璃槽的外部；交换膜分布在其两侧的有机玻璃槽的掏空部分之间；高纯石墨电极的内侧通过硅橡胶密封圈与有机玻璃槽的非掏空部分的外侧进行密封连接；高纯石墨电极的外侧通过硅橡胶密封垫与有机玻璃板的内侧进行密封连接。
更为具体地，有机玻璃槽侧面设置有开孔，该开孔可以塞入硅橡胶塞实现有机玻璃槽的气液密闭。与蠕动泵连接的培养反应器部件为含硅橡胶塞的开孔；蠕动泵通过导管与普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽内，从而连接蠕动泵与培养反应器。与抽换气系统连接的培养反应器部件为含硅橡胶塞的开孔；抽换气系统通过导管与普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽内，从而连接抽换气系统与培养反应器。与采样系统连接的培养反应器部件为含硅橡胶塞的开孔；采样系统连接加长加硬穿刺针，穿刺针插入硅橡胶塞，从而连接采样系统与培养反应器。特别地，通过调整穿刺针角度与插入长度，可以实现对电极表面或培养物特定区域采样。
与电化学工作站相连的培养反应器部件为高纯石墨电极；高纯石墨电极含一铜导线，将电极线一端与铜导线相连。电极线另一端插入电化学工作站信号输入输出口中，从而连接高纯石墨电极与电化学工作站。
在一个优选的具体实施方式中，本发明提供的微生物电化学系统的培养反应器含有三对平行培养反应室，在电刺激类实验中可实现完全平行对比；六个培养反应室可独立进行连续培养，提供不同流动速度与不同电极表面剪切力，具体来说，利用六通道蠕动泵或者六个独立蠕动泵控制每个培养反应室的溶液注入速度，选用不同口径的针头、调节溶液注入速度(六个独立蠕动泵)来控制表面剪切力；长时间保持气液密闭及隔绝化学与生物污染；实现实验过程中采样与电极表面采样；广泛适应的接口与模块化设计，方便地根据实验需求改装、加装特定电极或其他部件；针对海洋来源的微生物，包括环境样本、纯培养样本在内的多种生物样本分析。
以下为采用本发明提供的微生物电化学系统进行对Shewanella piezotolerans WP3菌株进行连续培养、采样与实时检测的具体过程，步骤如下：
步骤1、通过蠕动泵将培养基(培养基组成：34克氯化钠，5克蛋白胨，1克酵母菌膏加入双蒸水至1升)注入培养反应器内的培养反应室中，将该菌株移入培养反应器内的培养反应室中，进行连续培养；连续培养过程中，恒温培养箱温度设为37℃；开启气体橱，通过抽换气系统为培养反应器提供培养所需的气体，同时，电化学工作站根据计算机输入的控制指令向培养反应器输入电刺激。
培养时间：针对一次培养模式，培养72小时；针对连续培养模式，培养时间根据实验需要决定，培养基以10％日更新率流动。
电刺激电压数值：1mV-50mV恒压
电刺激目的：为微生物培养物提供环境电势差，从而改变微生物与电极(环境)的电子交换与代谢互作。
电化学工作站的地线电极与不含培养物的培养反应室(空白室)连接，检测电极与含菌液的培养反应室(菌液室)连接。
步骤2、电化学工作站根据计算机输入的指令实时检测培养反应器的数据参数。
检测参数：在外加电压模式下，电化学工作站可以检测实时电流值(I-t图)，电子流动量累计值(Q-t图)；在非外加电压模式下，电化学工作站可以检测实时电势差值(V-t图)，实时电流值(I-t图)与电子流动量累计值(Q-t图)。
步骤3、在连续培养的任何时段，通过采样系统采样培养反应室的培养物，对其进行检测。
举例：从反应开始起，每两小时通过采样针在电极表面附近采样200微升。采集样本可用于生物化学参数检测(比如，NADPH/NADP测定)，转录组分析(比如，RNASeq分析)，蛋白质组分析(比如，2D-Gel分析)。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，其特征在于，包括培养基容器、蠕动泵、培养反应器、气体橱、抽换气系统、计算机、电化学工作站；
所述培养基容器用于通过蠕动泵为培养反应器提供培养基；所述气体橱用于通过抽换气系统为培养反应器提供气体；所述计算机用于输入控制指令；所述电化学工作站用于根据计算机输入的控制指令实时检测培养反应器的数据参数。
2.根据权利要求1所述的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，其特征在于，所述电化学工作站还用于根据计算机输入的控制指令向培养反应器输入电刺激。
3.根据权利要求1所述的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，其特征在于，所述计算机还用于存储电化学工作站所检测到的数据参数。
4.根据权利要求1所述的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，其特征在于，还包括采样系统，其中，所述采样系统连接所述培养反应器，所述采样系统用于采样培养反应器中的培养物。
5.根据权利要求1所述的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，其特征在于，还包括恒温培养箱，其中，所述培养反应器设置在所述恒温培养箱内，所述恒温培养箱用于为培养反应器提供温度可调节环境。
6.根据权利要求1所述的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，其特征在于，所述培养反应器包括交换膜、有机玻璃槽、硅橡胶密封圈、高纯石墨电极、硅橡胶密封垫、有机玻璃板、螺钉，其中，所述交换膜的两侧由内而外分别通过螺钉呈对称结构依次固定有机玻璃槽、硅橡胶密封圈、高纯石墨电极、硅橡胶密封垫和有机玻璃板。
7.根据权利要求6所述的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，其特征在于，位于交换膜两侧的有机玻璃板夹住有机玻璃槽，一起构成了培养反应室，所述培养反应器包括多对平行培养反应室。
8.根据权利要求7所述的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，其特征在于，所述培养反应室为能够独立进行连续培养的培养反应室。
9.根据权利要求6所述的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，其特征在于，
有机玻璃槽设置有掏空部分，有机玻璃槽的侧面设置有开孔，开孔连通了有机玻璃槽的掏空部分与有机玻璃槽的外部；
交换膜分布在其两侧的有机玻璃槽的掏空部分之间；
高纯石墨电极的内侧通过硅橡胶密封圈与有机玻璃槽的非掏空部分的外侧进行密封连接；
高纯石墨电极的外侧通过硅橡胶密封垫与有机玻璃板的内侧进行密封连接。
10.根据权利要求9所述的用于连续培养、采样与实时检测的微生物电化学系统，其特征在于，
有机玻璃槽侧面设置的开孔内塞入有硅橡胶塞实现有机玻璃槽的气液密闭；
蠕动泵通过导管与普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽内，从而连接蠕动泵与培养反应器；
抽换气系统通过导管与普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽内，从而连接抽换气系统与培养反应器；
采样系统连接穿刺针，穿刺针插入硅橡胶塞，从而连接采样系统与培养反应器；
电化学工作站连接培养反应器的高纯石墨电极；高纯石墨电极含一铜导线，通过将电极线一端与铜导线相连，电极线另一端插入电化学工作站信号输入输出口中，从而连接高纯石墨电极与电化学工作站。
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