CN104049017A - 利用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用单室微生物燃料电池产电信号检测土壤污染毒性的方法，采用污染土壤或提取污染土壤的悬液，充入单室微生物燃料电池。单室微生物燃料电池运行期间产生的总电量、电压或电流峰值以及到达峰值的时间与土壤污染毒性有很好的相关关系，可以作为检测土壤污染毒性的指标。所用的单室微生物燃料电池包括阳极、阴极、导线和负载，阳极铺在单室微生物燃料电池底部，阴极浸没在淹水土壤水层或土壤悬液的液面以下。土壤或土壤悬液中的微生物分解人工添加的葡萄糖或乙酸钠进行产电，并以水中的溶解氧为电子受体。本发明的方法操作简单、检测成本低、检测过程不产生污染，以及对土壤污染响应灵敏。

Description

利用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法

技术领域

本发明属于一种土壤污染毒性检测技术；具体涉及一种利用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法。

背景技术

采矿、冶炼、电镀、化工等工业产生以及污灌、农药化肥的不合理施用等农业措施造成土壤污染。当前普遍采用生物学指标检测土壤污染毒性，所涉及的方法包括微生物生物量、微生物商、代谢商、土壤酶活性、碳源利用图谱和土壤微量热等指标。这些指标的检测需要经过多个实验步骤，操作繁琐并消耗较多试剂与人工。而且碳源利用图谱和土壤微量热等方法需要分别使用BIOLOG仪和微量热仪等价格昂贵的设备以及价格不菲的耗材。但是上述方法都不能实现连续实时监测。

微生物燃料电池是一类通过产电微生物的催化作用，把有机质的化学能转化为电能的装置。由于所产生的电流强度与产电微生物的代谢活性密切相关，微生物燃料电池可作为生物传感器对环境进行长时间连续实时的监测，例如监测废水中的BOD、毒性物质如重金属和酸污染。但上述微生物燃料电池需要采用培养基进行产电菌的接种、富集和驯化，且多为双室构型，因此存在缺陷，如：培养基和产电细菌纯菌的使用增加了成本，培养产电细菌至产电稳定需要较长时间，而且培养基的处理易引起污染。另外，双室构型的微生物燃料电池结构复杂、成本高，包括需要价格不菲的离子交换膜，且阴极液体（如常用的铁氰化钾溶液）处置不当易引起污染。

土壤含有产电所需的必备条件——产电微生物与有机质，因此土壤产电无需外加培养基和产电细菌。另外，采用单室构型比双室构型具有的优势主要表现在：1）单室构型结构更简单，操作更简便；2）单室构型中，土壤或者土壤悬液中含有大量微生物，能够有效消耗阳极附近的氧气，从而维持阳极与阴极之间的电势差。因此，单室构型省去了双室构型中用于维持电势差但价格昂贵的离子交换膜；3）单室构型的微生物燃料电池以水中的溶解氧作为电子受体，避免使用双室构型中常用的易引起污染的阴极液体（如铁氰化钾溶液），因此单室构型更加环境友好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测土壤污染毒性的新方法。直接采用污染土壤或从污染土壤中提取的土壤悬液用于检测。

本发明采用的技术方案如下：

利用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法，其检测对象为污染土壤或者提取的污染土壤悬液，所采用的单室微生物燃料电池包括阳极、阴极、导线和负载；具体包括如下步骤：

步骤一、将污染土壤或污染土壤悬液与葡萄糖或乙酸钠混合，葡萄糖或乙酸钠的质量不超过土壤质量的2%（质量比，w/w）或不超过土壤悬液体积的2%（质量体积比，w/v）；

步骤二、将步骤一得到的污染土壤或者污染土壤悬液加入单室微生物燃料电池，其中，污染土壤加入单室微生物燃料电池后，需要再加入蒸馏水或去离子水保持淹水状态；

步骤三、将单室微生物燃料电池的阳极和阴极通过导线与负载串联，运行单室微生物燃料电池并采用数据采集器或万用表实时连续记录负载两端的电压或电流，36小时后停止记录；

步骤四、将记录的电压数据根据公式（1）和（2）换算成电量，或将电流数据根据公式（2）换算成电量：

 I (电流, A)=U(电压, V) / R (负载, Ω)                           （1）

Q (电量, C) = I (电流, A) × t (时间, s)                           （2）

步骤五、根据单室微生物燃料电池的产电信号判断土壤污染毒性：单室微生物燃料电池运行期间的产电电量越低，或产电电压或电流的峰值越低，或达到峰值的时间越晚，表明土壤污染毒性越大。

所述阳极放置在单室微生物燃料电池底部，阴极浸没在淹水土壤水层或土壤悬液的液面以下。

所述污染土壤悬液的提取方法为：向污染土壤中加入蒸馏水或去离子水，振荡后静置或者震荡后离心，获取上层土壤悬液。

所述阳极材料为碳毡、碳布、碳纸、碳刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网。阴极材料为在上述阳极材料基础上掺入或镀上能够催化氧气还原的催化剂，包括铂、酞菁类化合物或金属卟啉类化合物。

所述污染土壤中的土壤为所有的土壤类型，其污染物包括重金属污染或有机污染物污染或者酸碱污染。

本发明的原理如下：

土壤微生物能够通过分解土壤有机质产生电子，电子从阳极通过导线到达阴极，以水中溶解氧作为电子受体，从而产生电流。单室微生物燃料电池底部的土壤或者土壤悬液中含有大量微生物，能够有效消耗阳极附近的氧气，保持阳极与阴极之间的电势差。因此，与双室微生物燃料电池相比，单室微生物燃料电池省去了维持电势差但价格昂贵的离子交换膜。加入易利用的小分子碳源葡萄糖或乙酸钠能够刺激微生物的代谢，缩短电池的启动时间，从而能在短时间内获得产电信号。土壤受到污染之后，微生物代谢活性降低，产电微生物分解有机质产电的能力也受到抑制，表现为污染程度越高，毒性越大，产电量越低、电流和电压峰值越低，达到峰值所用时间越长。

本发明利用污染土壤或者污染土壤悬液中的微生物在单室微生物燃料电池运行期间产生的电信号（包括产电电量，或产电电压或电流的峰值，或达到峰值的时间）作为检测土壤污染毒性的指标。和传统土壤生物学指标相比，本发明优势特色在于检测成本低、操作简单、检测过程无污染以及对污染响应灵敏。与双室构型的微生物燃料电池相比，本发明采用单室构型的微生物燃料电池，不需要价格昂贵的离子交换膜，也不需要易引起污染的阴极液体（如常用的铁氰化钾溶液），而是以水中溶解氧作为电子受体，装置结构更加简单，操作过程更加环境友好。

 

附图说明

图1本发明所用的单室微生物燃料电池结构示意图，其中，1-阳极，2-阴极，3-导线，4-负载。

图2含铜浓度0（对照）、50、100、200和400 mg/kg的土壤在单室微生物燃料电池中运行36小时产生的总电量。土壤中混合2%（w/w）葡萄糖。

图3从含铜浓度0（对照）、50、100、200和400 mg/kg的土壤中提取的土壤悬液在单室微生物燃料电池中运行36小时产生的总电量。土壤悬液中溶解0.2%（w/v）乙酸钠。

 

具体实施方式

本发明提供了一种采用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法，以下结合附图1对具体实施方式加以说明。

实施例1

采用单室结构微生物燃料电池，内壁规格为直径3.3 cm 高6 cm的圆柱体，有效容积50 ml。以碳毡为阳极，镀铂碳纸为阴极。阳极规格为直径3 cm，厚度0.5 cm；阴极规格为直径3 cm，厚度0.1 cm。电极距离5 cm，电极之间连接1000 Ω负载。土壤采自长江中下游林地，为典型黄棕壤。将土壤分成5份，分别添加不同铜浓度的氯化铜溶液并与土壤充分混匀，使土壤中铜浓度达到0（对照）、50、100、200、和400 mg/kg。土壤老化1天后用于检测。采用单室结构微生物燃料电池的检测方法如下：将阳极平放于微生物燃料电池底部，每个铜浓度处理取30 g 土壤，与0.4 g葡萄糖混匀后倒入单室微生物燃料电池中，加入20 ml蒸馏水并保持淹水。阳极与阴极间连接1000 Ω负载，并采用数据采集器每隔10 min记录一次负载两端电压，共记录36小时（图2）。并根据公式电流（A）= 电压（V）/ 阻值（Ω），算出产生的电流，再根据公式电量（C）= 电流（A）× 时间（s），算出运行36小时MFC产生的总电量。结果表明，随着铜浓度增加，土壤在单室微生物燃料电池中的产电量不断降低（图2）。

 

实施例2

本实施例与实施例1的主要区别在于，本实施例采用污染土壤悬液而非污染土壤进行产电。本实施例采用与实施例1相同的微生物燃料电池构型、土壤类型和污染处理，区别在于本实施例中阳极碳毡厚度为2 cm。污染土壤悬液的获取和产电方式为：土壤加入铜溶液并老化1天后，每个铜浓度取20 g土壤，加入200 ml去离子水，200r/min振荡1 h，静置30 min后吸取50 ml上层土壤悬液，加入0.1 g乙酸钠溶解，再将土壤悬液加入到单室微生物燃料电池。加入土壤悬液之前预先在单室微生物燃料电池底部放置阳极。阳极与阴极间连接1000 Ω负载，采用数据采集器每隔10 min记录一次负载两端电压，共记录36小时。根据公式电流（A）= 电压（V）/ 阻值（Ω），算出产生的电流，再根据公式电量（C）= 电流（A）× 时间（s），算出运行36小时单室微生物燃料电池产生的总电量。结果表明，随着铜浓度增加，土壤悬液在单室微生物燃料电池中的产电量不断降低（图3）。

Claims (6)

1.利用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法，其特征在于，其检测对象为污染土壤或者提取的污染土壤悬液，所采用的单室微生物燃料电池包括阳极、阴极、导线和负载；具体包括如下步骤：

步骤一、将污染土壤或污染土壤悬液与葡萄糖或乙酸钠混合，葡萄糖或乙酸钠的质量不超过土壤质量的2%或不超过土壤悬液体积的2%；

步骤二、将步骤一得到的污染土壤或者污染土壤悬液加入单室微生物燃料电池，其中，污染土壤加入单室微生物燃料电池后，需要再加入蒸馏水或去离子水保持淹水状态；

步骤三、将单室微生物燃料电池的阳极和阴极通过导线与负载串联，运行单室微生物燃料电池并采用数据采集器或万用表实时连续记录负载两端的电压或电流，36小时后停止记录；

步骤四、将记录的电压数据根据公式（1）和（2）换算成电量，或将电流数据根据公式（2）换算成电量：

 I (电流, A)=U(电压, V) / R (负载, Ω)                           （1）

Q (电量, C) = I (电流, A) × t (时间, s)                           （2）

步骤五、根据单室微生物燃料电池的产电信号判断土壤污染毒性：单室微生物燃料电池运行期间的产电电量越低，或产电电压或电流的峰值越低，或达到峰值的时间越晚，表明土壤污染毒性越大。

2.根据权利要求1所述的利用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述阳极放置在单室微生物燃料电池底部，阴极浸没在淹水土壤水层或土壤悬液的液面以下。

3.根据权利要求1所述的利用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述污染土壤悬液的提取方法为：向污染土壤中加入蒸馏水或去离子水，振荡后静置或者震荡后离心，获取上层土壤悬液。

4.根据权利要求1至3之一所述的利用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述阳极的材料为碳毡、碳布、碳纸、碳刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网；所述阴极的材料为在上述阳极材料中掺入或镀上能够催化氧气还原的催化剂。

5.根据权利要求4所述的利用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述催化剂为铂、酞菁类化合物或金属卟啉类化合物。

6.根据权利要求1至3之一所述的利用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法，其特征在于，污染土壤为所有的土壤类型，其污染物包括重金属污染、有机污染物污染或者酸碱污染。