CN107894391A - 一种微生物电化学传感器快速检测酸雨对水稻健康影响的方法 - Google Patents

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Abstract

一种微生物电化学传感器快速检测酸雨对水稻健康影响的方法，所述植物微生物电化学传感器由水稻和传感器两部分构成，传感器容器由上直径15‑20cm、下直径10‑15cm，高12‑18cm的聚四氟乙烯材料组成，工作电极为20‑100cm2的碳布电极，参比电极为3.5M/4MAg/AgCl，对电极为1‑10cm2的铂片构成。该传感器可以快速、原位获取水稻植物的健康状态，运行稳定、准确，并可以及时的响应pH在2.5‑5.5之间的酸雨给水稻带来的健康损失，从而达到及时预警的目的。本发明克服了传统检测技术响应慢、成本高、不能实时检测的缺点，为以后检测植物健康状态提供了一种新技术。

Description

一种微生物电化学传感器快速检测酸雨对水稻健康影响的 方法
技术领域
本发明属于生物电化学技术领域，特别涉及一种利用以产电微生物为基础的生物电化学传感器进行在线检测水稻健康状态的方法。
背景技术
酸雨作为世界上最普遍的环境问题之一，已经严重威胁到植物，尤其是当地农作物的安全，造成植物光合效率降低、生长缓慢以及最终粮食产量下降等问题。水稻，作为三大主要农作物之一，随着工业化的发展，其生长时常受到酸雨的影响，从而造成水稻产量一直受影响。水稻等植物的健康与否，主要通过根、茎、叶和果实的变化表现出来，为了提早预防植物的病态特征，主要通过观察植物的叶和茎的特征，但在酸雨的作用下，等人眼观察到植物叶片或茎的变化则植物早已受到损害，因此需要一些技术手段来进行检测。目前常用的手段包括荧光成像技术、光合检测技术、化学分析法等。但在酸雨的条件下，利用荧光成像技术观察和监测植物叶片变化属于异位观测，并不能及时的反馈植物本身的健康特征；利用光合检测技术则存在灵敏度低，不能对酸雨快速响应的缺点；利用化学分析法则存在成本高、程序复杂的问题。因此这些现有技术并不能满足快速预警酸雨对植物的影响，因此开发一种在线快速低成本检测酸雨对植物健康影响的方法是十分有必要的。
发明内容
本发明目的是解决现有技术难以满足在线连续检测、成本低和灵敏度高等特点要求的问题，提供一种利用微生物电化学传感器响应植物健康状态，以期能够在线、快速、灵敏的提供植物健康状况的信息的方法。
本发明提供的微生物电化学传感器快速检测酸雨对水稻健康影响的方法，是通过以下三个步骤实现的：
1)水稻的培养
水稻种子首先浮选，然后用H2O2消毒再进行培养。5-10天收水稻转移至水培设备继续培养5-7天以备传感器使用。
2)植物微生物电化学传感器的制备
传感器容器尺寸为上直径15-20cm、下直径10-15cm，高12-18cm，材料为聚四氟乙烯，上下直径无关系，工作电极为20-100cm2的碳布材料电极，参比电极为3.5M或4M Ag/AgCl，对电极为1-10cm2的铂片；
首先制备微生物电化学传感器，向所述传感器容器中加入的溶液为生活污水或长期训化的微生物燃料电池的出水与磷酸缓冲溶液的混合液体，加入0.5-2g/L的乙酸钠作为底物，采用计时电流法或时间-电流法进行微生物电化学传感器的制备；制备成功后，将植物移入传感器，并更换溶液为霍格兰和磷酸缓冲溶液混合液，继续培养制得植物微生物电化学传感器；
3)微生物电化学传感器对植物的响应
运行3-10天以形成植物微生物电化学传感器稳定运行状态，对植物进行pH为2.5-5.5的不同程度酸雨处理，酸雨处理时间2-5小时，通过电流变化来反映酸雨对植物的损害。
所述生活污水或长期训化的微生物燃料电池的出水与磷酸缓冲溶液的混合比例为5～1:1。
所述霍格兰和磷酸缓冲溶液的混合比例为3～1:1。
所述通过电流变化来反映酸雨对植物损害程度的标准是电流越低，植物受到酸雨的损害程度越大。
微生物电化学传感器，通过活体产电微生物响应水中成分形成不同的电信号，而广泛用于水体水质的检测。这种传感器为在线检测水培植物健康状态提供了一种可能，植物光合作用产生的有机物可以通过根际分泌，这种有机物可以被微生物电化学传感器中的微生物当做底物进行电信号的转化，一旦植物健康状态出现问题，根际分泌物作为响应信号，通过微生物电化学传感器反映出电信号的变化，达到快速在线响应植物健康状态的目的。
本发明的优点和有益效果：
本发明与现有技术相比，首次利用活体产电微生物原位在线检测水稻生长状态并快速响应不同pH的酸雨，克服了传统检测技术响应慢、成本高、不能实时检测的缺点，为以后检测植物健康状态提供了一种新技术。
附图说明
图1植物微生物电化学传感器装置图。
图2植物微生物电化学传感器形成稳定电流图。
图3酸雨pH为2.5情况下传感器响应变化图。
图4酸雨pH为3.5情况下传感器响应变化图。
图5酸雨pH为5.5情况下传感器响应变化图。
具体实施方式
实施例1：一种微生物电化学传感器快速检测pH2.5的酸雨对水稻健康影响的方法
水稻种子首先浮选，然后用5％的H2O2消毒30min，随后种子浸于蒸馏水中15h，最终将种子均匀的撒在纱布托盘上，密封，光照培养，培养箱设置为25度光照14h，黑暗10h。7天收水稻转移至水培设备继续培养5天以备传感器使用。
传感器容器尺寸为上直径15cm、下直径15cm，高12cm，材料为聚四氟乙烯，工作电极为36cm2的碳布电极，参比电极为3.5MAg/AgCl，对电极为1cm2的铂片。如图1所示。
首先制备微生物电化学传感器，向容器中加入的溶液为长期训化的微生物燃料电池的出水与磷酸缓冲溶液按1:1比例混合的液体，加入0.5g/L的乙酸钠作为底物，采用计时电流法进行微生物电化学传感器的制备。制备成功后，将植物移入传感器，并更换溶液为1:1比例的霍格兰和磷酸缓冲溶液混合液，继续培养制得植物微生物电化学传感器。
运行5天以形成植物微生物电化学传感器稳定运行状态，对植物进行pH为2.5酸雨处理，酸雨处理时间2小时，通过电流/电压变化来反映酸雨对植物的损害。如图3所示，经过pH为2.5的酸雨处理，电流瞬间下降84％，表明水稻已经遭受到酸雨的袭击，健康状态受损，需要进行应急处理。
实施例2：一种微生物电化学传感器快速检测pH3.5的酸雨对水稻健康影响的方法
水稻种子首先浮选，然后用10％的H2O2消毒20min，随后种子浸于蒸馏水中10h，最终将种子均匀的撒在纱布托盘上，密封，光照培养，培养箱设置为25度光照14h，黑暗10h。5天收水稻转移至水培设备继续培养6天以备传感器使用。
传感器容器尺寸为上直径18cm、下直径15cm，高15cm，材料为聚四氟乙烯，工作电极为50cm2的碳布电极，参比电极为4MAg/AgCl，对电极为1cm2的铂片。
首先制备微生物电化学传感器，向容器中加入的溶液为长期训化的微生物燃料电池的出水与磷酸缓冲溶液按2:1比例混合的液体，加入2g/L的乙酸钠作为底物，采用计时电流法进行微生物电化学传感器的制备。制备成功后，将植物移入传感器，并更换溶液为3:1的霍格兰和磷酸缓冲溶液混合液，继续培养制得植物微生物电化学传感器。
运行3天以形成植物微生物电化学传感器稳定运行状态，如图2所示，对植物进行进行pH为3.5的酸雨处理，酸雨处理时间3小时，通过电流变化来反映酸雨对植物的损害。如图4所示，经过pH为3.5的酸雨处理，电流瞬间下降77％，表明水稻遭受到酸雨袭击，但是健康受损程度要小于pH为2.5的时候。
实施例3：一种微生物电化学传感器快速检测pH5.5的酸雨对水稻健康影响的方法
水稻种子首先浮选，然后用15％的H2O2消毒10min，随后种子浸于蒸馏水中5h，最终将种子均匀的撒在纱布托盘上，密封，光照培养，培养箱设置为25度光照14h，黑暗10h。6天收水稻转移至水培设备继续培养7天以备传感器使用。
传感器容器尺寸为上直径20cm、下直径10cm，高18cm，材料为聚四氟乙烯，工作电极为100cm2的碳布电极，参比电极为3.5MAg/AgCl，对电极为10cm2的铂片。
首先制备微生物电化学传感器，向容器中加入的溶液为生活污水与磷酸缓冲溶液按5:1比例混合的液体，加入1g/L的乙酸钠作为底物，采用时间-电流法进行微生物电化学传感器的制备。制备成功后，将植物移入传感器，并更换溶液为2:1比例的霍格兰和磷酸缓冲溶液混合液，继续培养制得植物微生物电化学传感器。
运行4天以形成植物微生物电化学传感器稳定运行状态，对植物进行进行pH为5.5的不同程度酸雨处理，酸雨处理时间5小时，通过电流/电压变化来反映酸雨对植物的损害。如图5所示，水稻健康受损程度明显小于前两种实施例。

Claims (4)

1.一种微生物电化学传感器快速检测酸雨对水稻健康影响的方法，其特征在于该方法是通过以下步骤实现的：
1)水稻的培养
水稻种子首先浮选，然后用H2O2消毒再进行培养，5-10天收水稻转移至水培设备继续培养5-7天以备传感器使用；
2)植物微生物电化学传感器的制备
传感器容器尺寸为上直径15-20cm、下直径10-15cm，高12-18cm，材料为聚四氟乙烯，上下直径无关系，工作电极为20-100cm2的碳布材料电极，参比电极为3.5M或4M Ag/AgCl，对电极为1-10cm2的铂片；
首先制备微生物电化学传感器，向所述传感器容器中加入的溶液为生活污水或长期训化的微生物燃料电池的出水与磷酸缓冲溶液的混合液体，加入0.5-2g/L的乙酸钠作为底物，采用计时电流法或时间-电流法进行微生物电化学传感器的制备；制备成功后，将植物移入传感器，并更换溶液为霍格兰和磷酸缓冲溶液混合液，继续培养制得植物微生物电化学传感器；
3)微生物电化学传感器对植物的响应
运行3-10天以形成植物微生物电化学传感器稳定运行状态，对植物进行pH为2.5-5.5的不同程度酸雨处理，酸雨处理时间2-5小时，通过电流变化来反映酸雨对植物的损害。
2.根据权利要求1所述的微生物电化学传感器快速检测酸雨对水稻健康影响的方法，其特征在于，所述生活污水或长期训化的微生物燃料电池的出水与磷酸缓冲溶液的混合比例为5～1:1。
3.根据权利要求1所述的微生物电化学传感器快速检测酸雨对水稻健康影响的方法，其特征在于，所述霍格兰和磷酸缓冲溶液的混合比例为3～1:1。
4.根据权利要求1至3任一项所述的微生物电化学传感器快速检测酸雨对水稻健康影响的方法，其特征在于，所述通过电流变化来反映酸雨对植物损害程度的标准是电流越低，植物受到酸雨的损害程度越大。
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