CN108709489A - 一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器及其使用方法，生物传感器包括曝气装置、信号采集装置、多个微生物燃料电池和支架，支架包括横隔板，每个燃料电池的阴极位于横隔板上方，阳极位于横隔板下方，阴极和阳极均固定于支架上，阳极通过导线连接阴极，导线上设置电阻，N个阴极至少一个位于沉积物的上覆水中，阳极全部没入沉积物中，N个阴极位于不同高度，信号采集装置分别连接各个微生物燃料电池，曝气装置于上覆水中为各个微生物燃料电池的阴极提供氧气。本发明所述系统和方法灵敏度高、结构简单、建造运行和维护成本低，是一种有效监测沉积物膨胀高度的方法和技术。

Description

一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器及监测方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器及使用其监测沉积物膨胀高度的方法。

背景技术

沉积物是湖泊的三大组成要素（水，沉积物和水生生物）之一，是湖泊营养物质地球化学循环的重要环节与界面。沉积物中的有机质是水生生物的重要营养源，在区域碳收支计算中不容忽视，其来源主要包括内源输入和外源输入两种，其中内源有机质主要是水体生产力本身产生的动植物残体、浮游生物及微生物等的沉积而得，外源输入主要是通过外界水源补给过程中携带进来的颗粒态和溶解态有机质。近几十年来，随着区域环境气候变化和人类活动干扰加剧，湖泊沉积物中有机质含量增加，导致大部分湖泊尤其是浅水湖泊面临水体富营养化、湖泊沼泽化等重大问题。以太湖为例，位于其东部湖区南段的东太湖，沼泽化发展速度远远超过湖泊沉积的自然演化过程，主要由于东太湖是太湖水生植被的主要分布区，而这些水生植被死亡后，储存了大量营养物质的植物残体沉积于湖底，加速了湖底淤积和沼泽化；由于氮、磷等营养物质的富集，位于太湖北部的梅梁湾、竺山湾和贡湖湾成为蓝藻水华频繁爆发的区域，蓝藻死亡后，一部分残体也沉降到湖底沉积物中。

沉积物中的有机质变化包括矿化和腐殖化两个过程。当植物、藻类等有机残体沉降到沉积物表面时，有机质中易降解部分经环境中的微生物分解为CO₂，H₂O，NH₃，CH₄和无机成分，即矿化过程，另一部分生物大分子经微生物等再降解和合成，形成腐殖质，即腐殖化过程。沉积物中有机质的矿化过程受到包括温度、溶解氧、Eh等环境因子的影响。温度升高可提高微生物的活性，促进矿化速率；而提高或降低沉积物中氧水平，都能促进沉积中有机质的矿化，前者提高了沉积物中耗氧微生物的活性，CO₂释放通量增大，后者促进了沉积物厌氧微生物的活性，CH₄释放通量增大。这就说明，在一定的环境因子影响下，沉积物中有机质含量的增加促进了沉积物中包括CO₂， NH₃，CH₄等气体的产生，这些气体首先在沉积物中呈冒泡状态，接着气体扩散至沉积物间隙水中，引起沉积物体积膨胀（Swelling）现象。这一现象一旦发生难以控制，通常需要很长时间来调整恢复，并且由于发生于湖泊沉积物中，通常很难被人发现。目前，对这一现象的描述和研究较少，更未有监测沉积物膨胀具体高度的技术和方法。

生物反应具有高度的专一性，生物传感器正是利用生物反应的这一特点经分子识别、能量转换，对待测物质的性质进行精确测定。近年来，微生物燃料电池（MFC）迅速发展，提供了一种全新的生物传感方法和装置，而沉积物微生物燃料电池（SMFC）是至今为止在实际运用中发挥作用的MFC。SMFC构造简单，阳极埋在还原性的沉积物中，阴极置放在空气—水界面，阴阳极之间的外电路接入负载，利用空气中的氧气来起氧化作用，通常运用曝气以增加阴极氧气含量的方式来促进电压信号的输出。

发明内容

针对上述问题，本发明根据微生物电化学技术，提供一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器，该生物传感器具有可移动、装置简单、操作容易的优点，应用前景广泛。

为实现本发明的技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器，包括微生物电化学敏感元件、曝气装置和信号采集装置，

所述微生物电化学敏感元件包括N个微生物燃料电池和支架，其中N为大于等于1的整数，所述支架包括横隔板，

每个所述微生物燃料电池均包括位于所述横隔板上方的阴极、位于所述横隔板下方的阳极和电阻，所述阴极和所述阳极均固定于所述支架上，所述阳极通过导线连接所述阴极，所述导线上设置所述电阻，所述N个微生物燃料电池的阴极至少一个位于所述沉积物的上覆水中，所述N个微生物燃料电池的阳极全部没入沉积物中，

所述N个微生物燃料电池的阴极位于不同高度，

所述信号采集装置分别连接所述N个微生物燃料电池，

所述曝气装置的曝气出口置于所述沉积物的上覆水中，为各个微生物燃料电池的阴极提供氧气。

进一步的，所述支架还包括阴极固定板和阳极固定柱，所述阳极固定柱连接于所述横隔板的下方，所述阴极固定板有N个，所述阴极固定板固定于所述横隔板上方的不同高度，所述阳极固定于所述阳极固定柱上，所述N个微生物燃料电池的电极固定于不同的阴极固定板表面。

进一步的，所述支架还包括螺杆，所述螺杆竖直连接于所述横隔板上方，所述阴极固定板内设置有内螺口，所述阴极固定板通过所述内螺口连接于所述螺杆，使得阴极固定板的高度可以很方便得调节高度。

进一步的，所述螺杆有N个，每个所述螺杆上连接有一个所述阴极固定板。

进一步的，所述阴极或所述阳极的厚度为0.5cm。

进一步的，所述支架为有机玻璃材质。

进一步的，所述阳极固定柱为中空的圆柱，便于稳定地固定于沉积物中。

进一步的，所述电阻为100Ω。

进一步的，所述阴极或所述阳极用尼龙线固定于所述支架上。

进一步的，所述曝气装置包括空气泵，所述空气泵连通所述曝气出口。

进一步的，所述信号采集装置为电压采集及记录装置。

进一步的，所述信号采集装置为多通道的电压采集及记录装置，可同时采集并记录多对阳极与阴极间的电压。

进一步的，所述沉积物为水体沉积物、湿地、污泥或淤泥。

本发明还提供一种采用上述生物传感器监测沉积物膨胀高度的方法，包括如下步骤：

设置完成所述生物传感器后，记录每个阴极所处的高度，之后启动曝气装置和信号采集装置，监测每个微生物燃料电池的电压，电压降为零的微生物燃料电池的阴极所在的高度即为膨胀后沉积物的高度。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明利用微生物电化学活性反应元件构建监测沉积物膨胀高度的生物传感器，通过输出电压是否降为零来监测实际沉积物的膨胀高度。弥补了关于此方面监测技术的空白。

（2）本发明将生物传感器的阳极部分放置在沉积物中，处于厌氧环境，阴极处于上覆水中，并采用曝气技术保证氧气这一电子受体供给，借助于微生物电化学作用，当沉积物体积膨胀至某一高度的阴极电极时，由于沉积物覆盖了阴极电极，阴极接触的电子受体—氧气降为零，电压也会迅速降为零，因此根据沉积物微生物燃料电池系统产生电压可实时监测沉积物的膨胀高度；

（3）本发明所述的生物传感器装置结构简单，不需要太多的维护，建造和运行成本低，检测快速。

附图说明

图1为本发明所述微生物电化学敏感元件结构示意图（图中电阻未画出）。

图2为所述阳极固定柱的结构示意图。

图3为实施例1所监测的电压信号变化图。

图中，1是螺杆，2是阴极固定板，3是阳极固定柱，4是阳极，5是横隔板。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器，包括微生物电化学敏感元件、曝气装置（图中未画出）和信号采集装置（图中未画出），

所述微生物电化学敏感元件包括4个微生物燃料电池和支架，所述支架包括横隔板，

每个所述微生物燃料电池均包括位于所述横隔板上方的阴极、位于所述横隔板下方的阳极和电阻，所述阴极和所述阳极均固定于所述支架上，所述阳极通过导线连接所述阴极，所述导线上设置所述电阻，所述4个微生物燃料电池的阴极全部位于所述沉积物的上覆水中，所述4个微生物燃料电池的阳极全部没入沉积物中，

所述4个微生物燃料电池的阴极位于不同高度，由下至上的阴极分别位于3cm，5cm，7cm和9cm处

所述信号采集装置分别连接所述4个微生物燃料电池，

所述曝气装置的曝气出口置于所述沉积物的上覆水中，为各个微生物燃料电池的阴极提供氧气。

所述支架还包括阴极固定板和阳极固定柱，所述阳极固定柱固定连接于所述横隔板的下方，所述阴极固定板有4个，所述阴极固定板固定于所述横隔板上方的不同高度，所述阳极固定于所述阳极固定柱上，所述4个微生物燃料电池的电极固定于不同的阴极固定板表面。

所述支架还包括螺杆，所述螺杆竖直连接于所述横隔板上方，所述阴极固定板内设置有内螺口，所述阴极固定板通过所述内螺口连接于所述螺杆，使得阴极固定板的高度可以很方便得调节高度。

所述螺杆有4个，每个所述螺杆上连接有一个所述阴极固定板。

所述阴极或所述阳极的厚度为0.5cm。

所述支架为有机玻璃材质。

所述阳极固定柱为中空的圆柱，便于稳定地固定于沉积物中。

所述电阻为100Ω。

所述阴极或所述阳极用尼龙线固定于所述支架上。

所述曝气装置包括空气泵，所述空气泵连通所述曝气出口。

所述信号采集装置为电压采集及记录装置。

所述信号采集装置为多通道的电压采集及记录装置，可同时采集并记录多对阳极与阴极间的电压。

所述沉积物为水体沉积物、湿地、污泥或淤泥。

作为重复实验的对照，在每个阴极相距1cm处再固定一块阴极，并另外形成4个微生物燃料电池，对照的阳极也全部置于沉积物中。

采用上述生物传感器监测沉积物膨胀高度采用如下步骤：

设置完成所述生物传感器后，记录每个阴极所处的高度，之后启动曝气装置和信号采集装置，监测每个微生物燃料电池的电压，电压降为零的微生物燃料电池的阴极所在的高度即为膨胀后沉积物的高度。

具体为：取1500 g的江苏境内太湖中的沉积物置于反应器中，加入5%干燥粉碎后的植物残体，充分混匀，模拟自然环境中的沉积物。将电极阳极固定在阳极固定柱上，插入到沉积物中。加入400毫升的模拟湖水，并将阴极组固定于阴极固定板上，以曝气装置提供的氧气作为电子受体。待沉积物膨胀到3cm，5cm和7cm时，各处对应的微生物燃料电池的电压依次降为零（如图3所示），达到监测沉积物膨胀高度的目的。

Claims (10)

1.一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器，其特征在于，包括微生物电化学敏感元件、曝气装置和信号采集装置，

所述微生物电化学敏感元件包括N个微生物燃料电池和支架，其中N为大于等于1的整数，所述支架包括横隔板，

每个所述微生物燃料电池均包括位于所述横隔板上方的阴极、位于所述横隔板下方的阳极和电阻，所述阴极和所述阳极均固定于所述支架上，所述阳极通过导线连接所述阴极，所述导线上设置所述电阻，所述N个微生物燃料电池的阴极至少一个位于所述沉积物的上覆水中，所述N个微生物燃料电池的阳极全部没入沉积物中，

所述N个微生物燃料电池的阴极位于不同高度，

所述信号采集装置分别连接所述N个微生物燃料电池，

所述曝气装置的曝气出口置于所述沉积物的上覆水中，为各个微生物燃料电池的阴极提供氧气。

2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述支架还包括阴极固定板和阳极固定柱，所述阳极固定柱连接于所述横隔板的下方，所述阴极固定板有N个，所述阴极固定板固定于所述横隔板上方的不同高度，所述阳极固定于所述阳极固定柱上，所述N个微生物燃料电池的电极固定于不同的阴极固定板表面。

3.根据权利要求2所述的生物传感器，其特征在于，所述支架还包括螺杆，所述螺杆竖直连接于所述横隔板上方，所述阴极固定板内设置有内螺口，所述阴极固定板通过所述内螺口连接所述螺杆。

4.根据权利要求3所述的生物传感器，其特征在于，所述螺杆有N个，每个所述螺杆上连接有一个所述阴极固定板。

5.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述支架为有机玻璃材质。

6.根据权利要求2-4任一所述的生物传感器，其特征在于，所述阳极固定柱为中空的圆柱。

7.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述曝气装置包括空气泵，所述空气泵连通所述曝气出口。

8.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述信号采集装置为电压采集及记录装置。

9.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述沉积物为水体沉积物、湿地、污泥或淤泥。

10.一种采用权利要求1-9任一所述生物传感器监测沉积物膨胀高度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

设置完成所述生物传感器后，记录每个阴极所处的高度，之后启动曝气装置和信号采集装置，监测每个微生物燃料电池的电压，电压降为零的微生物燃料电池的阴极所在的高度即为膨胀后沉积物的高度。