CN109632919A - 基于微生物电化学信号在线监测污染沉积物毒性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微生物电化学信号在线监测污染沉积物毒性的方法，其用于检测开放水体下沉积物的毒性，其采用微生物电化学系统进行，该微生物电化学系统包括电极系统与电压检测仪，该电极系统至少包括阳极与阴极，阳极和阴极之间经外部电阻连接在一起；电压检测仪用于对阴极与阳极之间的电压进行检测，获得电压数据；其方法是：用电压检测仪获取阴极与阳极之间的电压数据，根据电压数据对沉积物中毒物的污染程度进行实时监测；上述电压数据至少包括电压值。该方法能够简单、快速地反映出开放水域沉积物中毒性物质的污染状况与污染程度，以对突发毒物泄漏进行应急监测。
Description
技术领域
本发明属于生物电化学技术领域，特别涉及一种利用具有电化学活性的微生物菌群的电信号在线监测污染沉积物毒性的方法。
背景技术
人类活动导致大量毒害污染物进入水体和沉积物，从而对水生态系统造成很多不利影响，如三致效应、遗传毒性、芳香烃受体效应和内分泌干扰效应等。因此，水体沉积物毒性检测显得尤其重要。目前，常用的检测方法主要有物理化学方法和生物方法。物理化学方法主要是指利用物理传感器和化学传感器进行毒性物质检测，此外，还可以利用化学手段模拟检测沉积物中毒性物质的生物有效性的仿生萃取技术，萃取提取和固相萃取净化之后，用气相色谱-电子捕获检测器或色谱-质谱进行分析。应用较多的物理化学传感器虽然可以检测许多有毒物质，包括重金属离子和有机物等，但是其监测范围有限、操作程序复杂，且在开放水体中(比如海洋、湖泊、水库等)，其易受风浪、天气等因素的影响，往往很难实现在线检测与监测。生物方法主要是指利用毒性污染物对细菌、藻类、鱼类等的生理代谢或细胞活性的抑制作用进行检测。此外，还可以采用检测沉积物中微生物脱氢酶活性的变化等。但是，这些检测往往需要较长的实验周期，且操作繁琐、可重复性差，无法满足对水环境实时预报预警、突发毒物泄漏应急监测等的需要。
发明内容
针对现有技术存在缺陷或者不足，本发明的目的在于提供一种在线监测污染沉积物毒性的方法，该方法能够简单、快速地反映出开放水域沉积物中毒性物质的污染状况与污染程度，以对突发毒物泄漏进行应急监测。
具体的技术方案为：
基于微生物电化学信号在线监测污染沉积物毒性的方法，
其用于检测开放水体下沉积物的毒性，其采用微生物电化学系统进行，该微生物电化学系统包括电极系统与电压检测仪，该电极系统至少包括阳极与阴极，阳极和阴极之间经外部电阻连接在一起；电压检测仪用于对阴极与阳极之间的电压进行检测，获得电压数据；
其方法是：用电压检测仪获取阴极与阳极之间的电压数据，根据电压数据对沉积物中毒物的污染程度进行实时监测；上述电压数据至少包括电压值。
优选地，上述电压数据至少包括电压值，依据电压值对沉积物中的污染程度进行监测。
本发明中，利用沉积物中毒物浓度与其所产生的与电压相关的数据具有相应的对应关系，来实现对开阔水域沉积物毒性的检测。当水体中沉积物受到毒性物质污染后，具有电化学活性的微生物能够很快出现应急响应，产生的电压随着污染物毒性的增加而减少，因此本发明具有运行成本低，操作简单，快速获得结果以及实时监测的结果可靠等优点
进一步，阳极和阴极均采用电活性生物材料制备而成；该电活性生物材料为采用石墨烯纳米片复合而成的仿生水草。
以石墨烯复合而成的防生水草作为电活性生物材料来制作阴极和阳极，可以保证阴极和阳极的电化学活性，而且具有较高的生物相容性。采用仿生水草形成，可以使相应的电极在随着水流、风浪等摆动时，不会影响到
本发明所用的电活性生物材料，采用石墨烯纳米片沉积修饰于仿生材料的表面及体内，不仅提高了仿生材料的电化学活性，而且具有很高的生态系统内生物相容性，具有电活性的仿生水草可以随着水流、风浪等摇摆，不会影响到微生物电化学系统的稳定性。
因此，本发明所用的电活性生物材料在开放水域的应用具有抗风浪，电压信号输出具有更加稳定的优点。
进一步，所述仿生水草为：以无纺布为基材，并将该无纺布在石墨烯纳米片悬浮液中浸渍并干燥后制得。无纺布为基材制作而成仿生水草，可以具有真实水草的可移动性、可漂移性的优点。
具体地，仿生水草的制备步骤为：
(1)将氧化石墨烯投入水中，进行超声处理得到氧化石墨烯悬浊液，然后向氧化石墨烯悬浊液投入氢氧化钠水溶液，继续进行超声处理，得到氧化石墨烯胶体；
(2)将氧化石墨烯胶体与三羟甲基氨基甲烷混合均匀，制成混合液，然后向混合液中加入偶联剂，反应得到石墨烯纳米片悬浮液；
(3)将无纺布加工而成的基材浸渍于石墨烯纳米片悬浮液内20-24小时，取出干燥，得到仿生水草；偶联剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐。
优选地，氢氧化钠溶液的浓度为2-3mol/L。
优选地，氧化石墨烯胶体、三羟甲基氨基甲烷以及偶联剂的质量比为(1.5-3):(1-1.5):(1-1.5)。本发明的优点是所用的氧化石墨烯胶体、三羟甲基氨基甲烷以及偶联剂化学反应活性高，提高了仿生水草的生物相容性和生物活性，而且不产生有毒有害物质，应用前景广阔。
优选地，在步骤(1)中，超声处理时，超声波的频率为30-45KHz，超声处理时间为45-90min；
步骤(2)中，搅拌速度为60-80rpm、搅拌反应时间为20-30min，反应温度为60-80℃；
步骤(3)中，干燥温度为60-70℃，干燥时间为24-32h。
在上述条件的限制下，所制成的仿生水草中，氧化石墨烯能够均匀地附着于无纺布外表面及体内上，形成稳定的结构，能够在沉积物中毒性物质的刺激下产生感应电。本发明的仿生水草不仅具备对外界环境影响(毒性物质)的感知能力，而且具有电活性，能够及时通过其电压信号进行反馈。
优选地，阳极埋设在沉积物中，阴极漂浮于水体的水面。沉积物中土著微生物可以利用阳极作为电子受体，在阳极区域对毒性污染物进行氧化还原反应，反应所产生的电子及时传输送到阴极，在阴极区与上覆水体中氧气完成这个氧化还原过程。
具体地，所述电阻为一可变电阻，该电阻的电阻值的调节范围为10-1000Ω。本发明有助于获得可靠的电压信号响应值。可根据电压信号的输出范围，通过调节外电阻值，进一步优选输出电压信号在可靠范围内。
附图说明
图1为不同毒物浓度处理条件下的微生物电信号的数据。
图2为电信号对毒物浓度的动态响应图。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步介绍本发明的技术方案。
实施例1
1、制作仿生水草：
(1)将氧化石墨烯投入水中，进行超声处理得到浓度为0.2mol/L的氧化石墨烯悬浊液，然后向氧化石墨烯悬浊液投入2mol/L的氢氧化钠水，继续进行超声处理，得到氧化石墨烯胶体；超声处理时，超声波的频率为40KHz，超声处理时间为60min。
(2)将氧化石墨烯胶体与三羟甲基氨基甲烷混合均匀，制成混合液，搅拌速度为60rpm、搅拌反应时间为20min，然后向混合液中加入偶联剂EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)，在70℃下反应得到石墨烯纳米片悬浮液；氧化石墨烯胶体、三羟甲基氨基甲烷以及偶联剂的质量比为1.5:1:1；
(3)将无纺布加工而成的基材浸渍于石墨烯纳米片悬浮液内24小时，在65℃下干燥30小时，得到仿生水草。
采用上述仿生水草分别制成阳极与阴极，并在阳极与阴极之间串联一调节范围为10-1000Ω的可变电阻，制成电极系统，和电压检测仪一起构成微生物电化学系统。在本实施例中，电压检测仪采用吉时利KEITHLEY生产的2700型数字表。
采集南京仙林湖的沉积物样品(32.1°N，118.9°E)，以苯作为毒性污染物，制成具有不同苯浓度的沉积物组，各沉积物组的毒物浓度列入表1，采集不同毒物浓度处理条件下电信号的数据，制成图1所示的时间-电压相关图，图1中，A为未加入苯的沉淀物组，B为苯浓度为4mg/kg的沉淀物组，C为苯浓度为6mg/kg的沉淀物组，D为苯浓度为8mg/kg的沉淀物组，E为苯浓度为20mg/kg的沉淀物组。将阳极埋设在沉积物中，阴极漂浮于水体的水面。
从图1可以发现，微生物电化学系统输出的电压值能够很好的响应沉积物中毒物苯浓度。随着苯浓度的升高，电压值明显降低。无毒物侵染的对照组，沉积物中土著微生物活性最高，保持良好运行状态，而其它处理组因毒物侵染，沉积物中微生物活性受到不同程度的抑制。此外，通过动态毒物侵入试验实时监测电信号对毒物浓度的动态响应(图2)，因电信号的数据(电压)可以直接反应沉积物中土著微生物的活性，当毒物浓度持续施加时，沉积物中土著微生物的活性受到明显的抑制，第3天时电信号数值显著降低，表明毒物苯对沉积物中微生物的抑制作用尤为明显，尽管微生物活性受到抑制，但沉积物中微生物可以以苯作为碳源进行微生物代谢分解，出现电压值回升的现象。因此，通过实时监测微生物电化学的电压数值可以反应沉积物中土著微生物的活性对毒物浓度的响应。
表1不同毒物浓度的沉积物处理组
| 不同毒物浓度的沉积物组 | 毒物浓度(mg/kg沉积物) |
| A | 0 |
| B | 4 |
| C | 6 |
| D | 8 |
| E | 20 |
实施例2
制作仿生水草：
(1)将氧化石墨烯投入水中，进行超声处理得到浓度为0.5mol/L的氧化石墨烯悬浊液，然后向氧化石墨烯悬浊液投入3mol/L的氢氧化钠水，继续进行超声处理，得到氧化石墨烯胶体；超声处理时，超声波的频率为30KHz，超声处理时间为90min。
(2)将氧化石墨烯胶体与三羟甲基氨基甲烷混合均匀，制成混合液，搅拌速度为80rpm、搅拌反应时间为30min，然后向混合液中加入偶联剂EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)，在60℃下反应得到石墨烯纳米片悬浮液；氧化石墨烯胶体、三羟甲基氨基甲烷以及偶联剂的质量比为2:1:1；
(3)将无纺布加工而成的基材浸渍于石墨烯纳米片悬浮液内20小时，在70℃下干燥24小时，得到仿生水草。
采用上述仿生水草分别制成阳极与阴极，并在阳极与阴极之间串联一调节范围为10-1000Ω的可变电阻。
利用本实施例中的阳极和阴极制成电极系统，结合电压检测仪后制成微生物电化学系统。利用本实施例中的微生物电化学系统来检测开放水域中沉积物中的毒物浓度，可以得到类似于实施例1的结果。
实施例3
制作仿生水草：
(1)将氧化石墨烯投入水中，进行超声处理得到浓度为0.18mol/L的氧化石墨烯悬浊液，然后向氧化石墨烯悬浊液投入2.5mol/L的氢氧化钠水，继续进行超声处理，得到氧化石墨烯胶体；超声处理时，超声波的频率为45KHz，超声处理时间为45min。
(2)将氧化石墨烯胶体与三羟甲基氨基甲烷混合均匀，制成混合液，搅拌速度为60rpm、搅拌反应时间为20min，然后向混合液中加入偶联剂EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)，在80℃下反应得到石墨烯纳米片悬浮液；氧化石墨烯胶体、三羟甲基氨基甲烷以及偶联剂的质量比为2:1.3:1.3；
(3)将无纺布加工而成的基材浸渍于石墨烯纳米片悬浮液内22小时，在70℃下干燥32小时，得到仿生水草。
采用上述仿生水草分别制成阳极与阴极，并在阳极与阴极之间串联一调节范围为10-1000Ω的可变电阻。
利用本实施例中的阳极和阴极制成电极系统，结合电压检测仪后制成微生物电化学系统。
利用本实施例中的微生物电化学系统来检测开放水域中沉积物中的毒物浓度，可以得到类似于实施例1的结果。
Claims (10)
1.基于微生物电化学信号在线监测污染沉积物毒性的方法，
其用于检测开放水体下沉积物的毒性，其采用微生物电化学系统进行，该微生物电化学系统包括电极系统与电压检测仪，该电极系统至少包括阳极与阴极，阳极和阴极之间经外部电阻连接在一起；电压检测仪用于对阴极与阳极之间的电压进行检测，获得电压数据；
其方法是：
用电压检测仪获取阴极与阳极之间的电压数据，根据电压数据对沉积物中毒物的污染程度进行实时监测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，阳极和阴极均采用电活性生物材料制备而成；该电活性生物材料为采用石墨烯纳米片复合而成的仿生水草。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述仿生水草为：以无纺布为基材，并将该无纺布在石墨烯纳米片悬浮液中浸渍并干燥后制得。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，仿生水草的制备步骤为：
(1)将氧化石墨烯投入水中，进行超声处理得到氧化石墨烯悬浊液，然后向氧化石墨烯悬浊液投入氢氧化钠水溶液，继续进行超声处理，得到氧化石墨烯胶体；
(2)将氧化石墨烯胶体与三羟甲基氨基甲烷混合均匀，制成混合液，搅拌速度为60-80rpm、搅拌反应时间为20-30min，然后向混合液中加入偶联剂，反应得到石墨烯纳米片悬浮液；
(3)将无纺布加工而成的基材浸渍于石墨烯纳米片悬浮液内20-24小时，取出干燥，得到仿生水草；
偶联剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，氢氧化钠溶液的浓度为2-3mol/L。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，氧化石墨烯胶体、三羟甲基氨基甲烷以及偶联剂的质量比为(1.5-3):(1-1.5):(1-1.5)。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
在步骤(1)中，超声处理时，超声波的频率为30-45KHz，超声处理时间为45-90min；
步骤(2)中，搅拌速度为60-80rpm、搅拌反应时间为20-30min；反应温度为60-80℃；
步骤(3)中，干燥温度为60-70℃，干燥时间为24-32h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，阳极埋设在沉积物中，阴极漂浮于水体的水面。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电阻为一可变电阻，该电阻的电阻值的调节范围为10-1000Ω。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
上述电压数据至少包括电压值，依据电压值对沉积物中的污染程度进行监测。
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