CN113484398B - 一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法 - Google Patents
一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113484398B CN113484398B CN202110657380.6A CN202110657380A CN113484398B CN 113484398 B CN113484398 B CN 113484398B CN 202110657380 A CN202110657380 A CN 202110657380A CN 113484398 B CN113484398 B CN 113484398B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bioelectrochemical
- bioelectrode
- nitrite
- solution
- potential
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M Nitrite anion Chemical compound [O-]N=O IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 title claims abstract description 106
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 68
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 11
- 239000010865 sewage Substances 0.000 claims abstract description 64
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 56
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 48
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 47
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000011081 inoculation Methods 0.000 claims abstract description 29
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000012258 culturing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 98
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims description 87
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims description 87
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims description 30
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 claims description 21
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 21
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 230000010718 Oxidation Activity Effects 0.000 claims description 17
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 claims description 15
- 230000010757 Reduction Activity Effects 0.000 claims description 14
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 claims description 14
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 claims description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 10
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 claims description 10
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 claims description 10
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 9
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 8
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 8
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 8
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 7
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 6
- 239000012086 standard solution Substances 0.000 claims description 6
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 5
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 claims description 4
- 239000008363 phosphate buffer Substances 0.000 claims description 4
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 3
- 238000011534 incubation Methods 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 2
- VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M Sodium acetate Chemical compound [Na+].CC([O-])=O VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- 239000001632 sodium acetate Substances 0.000 description 9
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 9
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 8
- 235000017281 sodium acetate Nutrition 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 229940088594 vitamin Drugs 0.000 description 6
- 229930003231 vitamin Natural products 0.000 description 6
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 6
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 4
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N lactic acid Chemical compound CC(O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000003722 vitamin derivatives Chemical class 0.000 description 4
- 241001135750 Geobacter Species 0.000 description 3
- 241000589516 Pseudomonas Species 0.000 description 3
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 3
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 3
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 2
- IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-N Nitrous acid Chemical compound ON=O IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 2
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 2
- 235000001727 glucose Nutrition 0.000 description 2
- 239000004310 lactic acid Substances 0.000 description 2
- 235000014655 lactic acid Nutrition 0.000 description 2
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 2
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 description 2
- 238000010187 selection method Methods 0.000 description 2
- 241000894007 species Species 0.000 description 2
- 206010020772 Hypertension Diseases 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 238000000970 chrono-amperometry Methods 0.000 description 1
- 238000012136 culture method Methods 0.000 description 1
- 230000002354 daily effect Effects 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- DGLRDKLJZLEJCY-UHFFFAOYSA-L disodium hydrogenphosphate dodecahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.[Na+].[Na+].OP([O-])([O-])=O DGLRDKLJZLEJCY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012851 eutrophication Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000035800 maturation Effects 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000008239 natural water Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 description 1
- VBJGJHBYWREJQD-UHFFFAOYSA-M sodium;dihydrogen phosphate;dihydrate Chemical compound O.O.[Na+].OP(O)([O-])=O VBJGJHBYWREJQD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/48—Systems using polarography, i.e. measuring changes in current under a slowly-varying voltage
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/308—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells at least partially made of carbon
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
本发明公开一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法，包括1)：MFC模式闭路运行生物电化学反应器，阳极室中加接种溶液；基质溶液中培养生物电极至成熟；2)：生物电化学反应器连恒电位仪构建生物电化学传感器、生物电极分别在含有亚硝酸盐溶液和BOD有机物溶液中进行循环伏安法测试，选取电位阶跃计时电流测试过程中BOD有机物和亚硝酸盐检测电位；3)：生物电极在含有不同亚硝酸盐和BOD有机物浓度的溶液中进行电位阶跃计时电流测试，选信号输出时间点、获得电响应与亚硝酸盐和BOD有机物浓度的检测标线；根据生物电化学传感器在含亚硝酸盐的污水或含BOD有机物的污水中电响应，分别获得污水中亚硝酸盐、BOD有机物浓度。
Description
技术领域
本发明涉及基于生物电化学反应的污染物检测技术，属于生物传感器和水体污染物检测领域，该生物电化学检测方法应用于生物电化学传感器，可以实现同步检测污水中的亚硝酸盐和生物化学需氧量(BOD)，具体涉及一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法。
背景技术
随着城市化进程发展，城市污水排放对环境造成的影响持续加剧，城市污水的处理和检测成为人们关注的热点问题。在城市污水中常含有亚硝酸盐和有机物两种典型的污染物。其中，亚硝酸盐容易引起自然水体富营养化且是癌症和高血压病等疾病的重要诱因之一。有机物(常用BOD计量)则会快速消耗水体中的溶解氧，滋生厌氧微生物，引起水质的恶化。传统的测试方法在测试亚硝酸盐和BOD时，需要大量的试剂投入和较长的检测时间，不仅成本高，还容易造成二次污染。
生物电化学传感器是一种新型的污水中污染物的检测方法，它依赖于电活性微生物催化特定的生物电化学反应，利用生物电化学传感器输出的电信号表征污水中的污染物浓度。相较于传统方法，生物电化学传感器无需额外的试剂投入，检测时间短，成本低。但是生物电化学传感器的检测器(电活性微生物)可能对不同的氧化还原物质产生响应，这使得生物电化学传感器的检测过程会受到污水组分的影响，尤其是在污水中同时含有可被生物电化学过程利用的氧化和还原物质时。此外，当使用生物电化学传感器技术检测不同氧化还原物质时，往往需要构建不同的生物电化学传感器装置，这使得利用生物电化学传感器技术对含有多种污染物的污水检测时的检测成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法。该方法能够实现同一生物电化学传感器对不同污染物(亚硝酸盐和BOD)的检测，和复杂组分污水中不同污染物的同步检测。
一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法，包括如下步骤：步骤1)：将生物电化学反应器中的生物电极作为阳极、非生物电极作为阴极通过MFC模式闭路运行该生物电化学反应器，并在该生物电化学反应器的阳极室中添加接种溶液进行接种，接种溶液为50％的接种物和50％的基质溶液的混合物，接种过程持续五天，每天更换接种溶液；所述基质溶液是50mM磷酸盐缓冲液，其中含有12.5mL L-1微量矿物质、5mL L-1维生素和1.50gBODL-1有机物；所述接种物为含有功能微生物的污水；接种完成后在基质溶液中培养生物电极，每天更换基质溶液直至电极生物膜生长成熟；
步骤2)：将生物电化学反应器以三电极体系连接恒电位仪构建生物电化学传感器、并将生物电极分别在含有亚硝酸盐溶液和含有BOD有机物溶液中进行循环伏安法测试，依据测试结果选取电位阶跃计时电流测试过程中BOD有机物和亚硝酸盐检测电位；
步骤3)：将生物电极在含有不同亚硝酸盐浓度的溶液和不同BOD有机物浓度的溶液中进行电位阶跃计时电流测试，依据测试结果选取信号输出时间点、并分别获得生物电化学传感器电响应与亚硝酸盐浓度和BOD有机物浓度的检测标线；根据生物电化学传感器在含有亚硝酸盐的污水或含有BOD有机物的污水中的电响应，分别获得污水中的亚硝酸盐、和污水中的BOD有机物的浓度。
优选的，还包括：步骤4)：依据检测电位和输出时间点，将生物电极分别在含有标准亚硝酸盐的溶液和含有标准BOD有机物的溶液中进行电位阶跃计时电流测试，获得生物电极分别在含有亚硝酸盐溶液、和在含有BOD有机物的溶液中的最大线性检测范围；
步骤5)：将生物电极置于含有不同浓度污染物和干扰物的混合溶液中，控制生物电极在不同检测电位间切换运行，获取生物电化学传感器电响应与污染物和干扰物之间的关系，依据电响应与污染物和干扰物之间的关系，计算获得污水中的BOD有机物和亚硝酸盐浓度；其中当亚硝酸盐为污染物时、BOD有机物为干扰物，当BOD有机物为污染物时、亚硝酸盐为干扰物。
优选的，所述步骤1)中生物电化学反应器由双室反应器构型组成，所述双室反应器构型为具有立方体两腔室结构的反应器，阳极室内径35mm，长度40mm，体积40mL，阴极室内径35mm，长度20mm，体积20mL；两个腔室用阳离子交换膜隔开；
MFC模式闭路运行是指生物电极和非生物电极之间通过铜线和外电阻相连，该模式下生物电极和非生物电极上可以自发进行电化学的半反应，电路中的电子由生物电极向非生物电极传递；
含有功能微生物的污水，指的是自然环境中或人工驯化后含有相关功能微生物的污水，包括城市污水处理厂缺氧段污水，屠宰场废水，实验室稳定生物电化学系统出水；
功能微生物指的是具有有机物氧化电活性的微生物和具有亚硝酸盐还原电活性的微生物，包括Geobacter属和Pseudomonas属的微生物；
培养生物电极是指，接种过程结束后，生物电极在基质溶液中序批模式培养，每天更换基质溶液；接种和培养过程中，阴极室溶液均为50mM PBS溶液，其中含有12.5mL L-1微量矿物质，5mL L-1维生素，每7天进行一次更换；
电极生物膜生长成熟是指培养的生物电极同时具有稳定的生物电化学氧化活性和生物电化学还原活性；其中稳定的生物电化学氧化活性通过生物电化学反应器在MFC模式运行的电压进行判定，当生物电化学反应器运行的电压稳定可重复周期超过三个后即认为生物电极的生物电化学氧化活性稳定；生物电化学还原活性通过生物电极在固定亚硝酸盐浓度的溶液中进行循环伏安法确定，当扫描曲线的稳定可重复即认为生物电极的生物电化学还原活性稳定。
优选的，所述步骤2)中检测电位选择指的是：根据只含有一种污染物的慢扫描速度CV的实验结果，确定两种污染物对应的生物电化学过程的响应区间，在两个响应区间不重合的部分寻找一个可以只发生单一的生物电化学过程的电位，其中只含有一种污染物为只含有亚硝酸盐或只含有BOD有机物。
优选的，所述步骤2)、步骤3)步骤4)中的电位阶跃计时电流测试指的是，通过恒电位仪向生物电极与参比电极间施加电压控制生物电极电位，测试期间先将生物电极电位设定一个电位值运行10min，后快速切换至另一个电位值运行10min。
优选的，所述步骤5)中，含有不同浓度的污染物和干扰物的溶液指的是，在配置好的目标污染物的标准溶液中，添加梯度浓度的干扰物，形成新的含有干扰物的标准溶液。
优选的，所述步骤5)中，控制生物电极在不同电位间切换运行指的是，将生物电极在一个电位下运行获得与污水中亚硝酸盐浓度相关的响应电流，后将生物电极电位切换至另一个电位运行获得与污水中BOD浓度相关的响应电流。
优选的，所述步骤5)中，生物电化学传感器电信号和污染物浓度和干扰物浓度之间的关系指的是，生物电化学传感器电信号关于污染物浓度和干扰物浓度的函数。
优选的，碳基材料作为生物电极材料，泡沫镍空气电极作为非生物电极，银/氯化银作为参比电极，所述碳基材料为碳刷，碳毡，碳布，石墨片。
下面对本申请做进一步说明：
针对现有难题，我们提出应用于生物电化学传感器的双向测试方法，它通过循环伏安法(CV)测定不同污染物生物电化学过程的氧化还原峰位，选取合适的电极电位将不同污染物的生物电化学过程分隔，减小测试不同污染物时的电信号干扰。采用控制生物电极电位的测试方法，使生物电化学传感器在特定电位输出对应于特定污染物的电响应信号，并依据电响应与污染物浓度的关系，实现同一生物电化学传感器对不同污染物的检测。此外，该测试方法还可以基于电信号，污染物浓度和干扰物浓度三者之间的关系，实现同一生物电化学传感器对复杂成分污水中不同污染物的同步检测。
一种基于微生物生物电化学氧化还原污水中污染物特性的生物电化学检测方法。能够实现同一生物电化学传感器对不同污染物的检测，和复杂组分污水中亚硝酸盐和BOD等污染物浓度的同步检测，具体包括：
以含有相关功能微生物的污水作为接种物，以生物可利用的有机物作为基质培养生物电极。生物电极生长成熟后，利用慢扫描速度的循环伏安扫描来选择生物电极对于不同污染物的独立的生物电化学响应电位。采用控制生物电极电位的测试方法，使生物电化学传感器在特定电位输出对应于特定污染物的电响应信号，并依据电响应与污染物浓度的关系，实现同一生物电化学传感器对不同污染物的检测。此外，该测试方法还可以基于电信号，污染物浓度和干扰物浓度三者之间的关系，实现同一生物电化学传感器对复杂成分污水中不同污染物的同步检测。污水中需含有包括Geobacter属和Pseudomonas属的微生物等传感器系统所需的功能微生物。
生物电极在含有生物可利用的有机物(可以选用乙酸钠，乳酸，葡萄糖等)的溶液中培养，具体的溶液组分为50mMPBS,添加1.5gBOD L-1生物可利用的有机物，12.5mL L-1矿物质，5mL L-1维生素。
生物电极成熟需满足MFC的最大电压稳定可重复超过三个换液周期和生物电极在亚硝酸盐溶液中的CV扫描结果稳定。
使用扫速0.5mV s-1，扫描范围为-0.6V～-0.1V(vs.Ag/AgCl)的循环伏安扫描来选择生物电极对不同污染物的独立的生物电化学的响应电位。电位选择需保证在该电位下一种物质产生响应且电信号与物质浓度关系线性度R2超过0.9，其他物质的响应电流低于0.1mA。
控制生物电极电位至目标电位，选取控电位运行2.5min和18min的响应电流作为电信号。其中检测亚硝酸盐时控制电极电位-0.5V vs.Ag/AgCl,检测BOD时控制电极电位-0.2V vs.Ag/AgCl。
当污水中同时含有亚硝酸盐和BOD两种污染物时，控制生物电极电位在-0.2V和-0.5V下切换运行，获取不同测试阶段的电响应信号，依据电信号，污染物浓度和干扰物浓度三者之间的关系，实现生物电化学传感器对两种污染物的同步测试。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法。具体包括：
(1)生物电极检测不同污染物时的电位选择方法；
(2)生物电极对单一污染物(亚硝酸盐和BOD)的检测方法；
(3)生物电极对不同污染物的同步检测方法和依据干扰物浓度的信号校正方法
本发明使用双室构型组装生物电化学反应器，该生物电化学反应器可以用于培养双向电化学传感器所需的生物电极和用作生物电化学传感器。使用碳基材料(包括碳刷，碳毡，碳布，石墨片等)作为生物电极材料，泡沫镍空气电极作为非生物电极，银/氯化银作为参比电极。以MFC模式闭路运行生物电化学反应器，并用含有相关功能微生物的污水接种，在生物电化学反应器中培养生物电极。确定生物膜生长成熟后，将电极生物膜以三电极体系接入恒电位仪，即将生物电极作为工作电极，泡沫镍空气电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极。将电极生物膜置于亚硝酸盐溶液和BOD溶液中，进行慢扫描速度的CV分析，确认生物膜对不同污染物(亚硝酸盐和BOD)的响应电位区间。根据慢扫描速度CV的结果，选取合适的电极电位使两个生物电化学过程在不同电位下独立发生。依据选定的电位设置电位阶跃计时电流测试，作为生物电化学传感器的测试方法。通过收集特定电位下生物电化学传感器的输出电流，建立生物电化学传感器电信号和污染物浓度的对应关系。将生物电极置于含有不同浓度的污染物和干扰物的溶液中，并控制生物电极在不同电位间切换运行，获取生物电化学传感器电信号和污染物浓度和干扰物浓度之间的关系，依据三者关系可以实现单一生物电化学传感器对不同污染物(亚硝酸盐和BOD)的同步监测。
本发明中双室反应器构型指的是采用经典构型的立方体两腔室结构的反应器，阳极室内径35mm，长度40mm，体积40mL，阴极室内径35mm，长度20mm，体积20mL。两个腔室用阳离子交换膜隔开。
本发明中控制生物电极电位，指的是利用参比电极在溶液中的电位相对稳定(+197mVvs.SHE)的特性，在反应器用于污水亚硝酸盐检测时，通过在生物电极和参比电极之间施加电压的方法控制生物电极电位。
本发明中以MFC模式运行，指的是生物电极和非生物电极之间通过铜线和外电阻相连，该模式下生物电极和非生物电极上可以自发进行电化学的半反应，电路中的电子由生物电极(阳极)向非生物电极(阴极)传递。
本发明中相关功能微生物，指的是具有有机物氧化电活性的微生物和具有亚硝酸盐还原电活性的微生物，包括Geobacter属和Pseudomonas属的微生物等。
本发明中含有相关功能微生物的污水，指的是自然环境中或人工驯化后含有相关功能微生物的污水，包括城市污水处理厂缺氧段污水，屠宰场废水，实验室稳定生物电化学反应器出水等。
本发明中接种指的是，向生物电化学反应器中添加含有相关功能微生物的污水，为生物电化学富集过程提供初始的功能微生物来源。接种溶液为50％(v/v)的接种物和50％(v/v)的基质溶液的混合物。基质溶液是50mM磷酸盐缓冲液(PBS；11.466g L-1十二水合磷酸氢二钠，2.75g L-1二水合磷酸二氢钠)，含有12.5mL L-1微量矿物质，5mL L-1维生素，1.50gBODL-1可生物利用的有机物(包括乙酸钠，乳酸，葡萄糖等)。接种过程持续五天，每天更换接种用的混合液。
本发明中，培养生物电极是指，接种过程结束后，生物电极在基质溶液中序批模式培养，每天更换基质溶液。在接种和培养过程中，阴极室溶液均为50mM PBS溶液，其中含有12.5mL L-1微量矿物质，5mL L-1维生素，每7天进行一次更换。
本发明中，生物膜生长成熟是指，培养的生物电极同时具有稳定的生物电化学氧化活性和生物电化学还原活性。其中稳定的生物电化学氧化活性通过反应器在MFC模式运行的电压进行判定，当MFC运行的电压稳定可重复周期超过三个后即认为生物电极的生物电化学氧化活性稳定。生物电化学还原活性通过生物电极在固定亚硝酸盐浓度的溶液(通常用20mgNO2 --N L-1)中进行CV确定，当扫描曲线的稳定可重复即认为生物电极的生物电化学还原活性稳定。CV扫描的范围为-0.6V～-0.1V(vs.Ag/AgCl)，扫速为2mV s-1。
本发明中慢扫描速度的CV分析指的是，选择扫描速度为0.5mV s-1的CV扫描测试生物电极在50mM PBS溶液，含有20mgN-NO2 -L-1的亚硝酸盐的50mM PBS溶液，含有100mgBOD L-1可生物利用的有机物的50mM PBS溶液中的电化学特性。CV扫描范围设置为-0.6V～-0.1V(vs.Ag/AgCl)。
本发明中检测电位选择指的是，根据只含有一种污染物(亚硝酸盐或BOD)的慢扫描速度CV的实验结果，确定两种污染物对应的生物电化学过程的响应区间(有电流产生的电位范围)，在两个响应区间不重合的部分寻找一个合适的电位，即在该电位下可以只发生单一的生物电化学过程。
本发明中获取生物电化学传感器对特定污染物的电信号指的是，将生物电极选定的电位下运行时，该电位下仅发生单一污染物的生物电化学反应。观察生物电极在该电位下产生的电流，建立污染物浓度和电流的联系。
本发明中电位阶跃计时电流测试指的是，通过恒电位仪向生物电极与参比电极间施加电压控制生物电极电位，测试期间先将生物电极电位设定一个电位值运行10min，后快速切换至另一个电位值运行10min。
本发明中含有不同浓度的污染物和干扰物的溶液指的是，在配置好的目标污染物的标准溶液中，添加梯度浓度的干扰物，形成新的含有干扰物的标准溶液。
本发明中控制生物电极在不同电位间切换运行指的是，将生物电极在-0.5V(vs.Ag/AgCl)电位下运行获得与污水中亚硝酸盐浓度相关的响应电流，后将生物电极电位切换至-0.2V(vs.Ag/AgCl)电位运行获得与污水中BOD浓度相关的响应电流。
本发明中生物电化学传感器电信号和污染物浓度和干扰物浓度之间的关系指的是，传感器电信号关于污染物浓度和干扰物浓度的函数。
发明原理描述：
本发明基于电极生物膜对不同污染物的生物电化学氧化还原能力，提供一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法。方法包含了用于传感器的生物电极的选择依据，生物电化学传感器测试参数选择，测试方法和信号校正方法。
在生物膜的培养方法上，先在异养环境中培养MFC生物阳极，通过微生物种间作用和电刺激快速在生物电极上富集具有亚硝酸盐还原电活性的微生物，后通过电极电位控制将生物电极应用于不同污染物的检测中。
用于传感器的生物电极的选择依据为，生物电极同时具有稳定的生物电化学氧化活性和生物电化学还原活性。其中稳定的生物电化学氧化活性通过生物电化学反应器在MFC模式运行的电压进行判定，当MFC运行的电压稳定可重复周期超过三个后认为生物电极的生物电化学氧化活性稳定。生物电化学还原活性通过生物电极在固定亚硝酸盐浓度的溶液(通常用20mgNO2 --N L-1)中进行CV确定，当扫描曲线的稳定可重复即认为生物电极的生物电化学还原活性稳定。CV扫描的范围为-0.6V～-0.1V(vs.Ag/AgCl)，扫速为2mV s-1。
在生物电化学传感器测试参数选择和测试方法上，我们利用慢扫描速度CV扫描，快速获取电极生物膜的对不同污染物的生物电化学响应电位区间。在选取合适电极电位后。由于设置的扫描速度慢(0.5mV s-1)，生物电极在电位变化过程中可以近似认为处在稳态，更加准确获取响应电位区间，并且减少生物膜在CV扫描过程中的电活性变化。根据CV扫描结果，确定污染物检测时设置的电位，使生物电化学传感器在测试一种污染物时只发生相应的生物电化学过程，不会受到其他生物电化学过程的干扰。生物电化学传感器的测试方法为通过恒电位仪向生物电极与参比电极间施加电压控制生物电极电位，测试期间先将生物电极电位设定在-0.5V运行10min用于获取生物电化学传感器对污水亚硝酸盐浓度的响应电流，后快速切换至-0.2V运行10min获取生物电化学传感器对污水BOD浓度的响应电流。依据生物电化学传感器在不同亚硝酸盐溶液和BOD溶液中的测试结果，确定测试过程中最优的信号输出时刻。
生物电化学传感器在同时含有不同污染物样品中的校正方法为，利用生物电极在-0.5V(vs.Ag/AgCl)和-0.2V(vs.Ag/AgCl)获得的电响应，依据生物电化学传感器电信号和污染物浓度和干扰物浓度之间的关系，计算获得污水的BOD浓度和亚硝酸盐浓度。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
1、提出了用于生物电化学传感器的生物电极的选择依据，
2、提出一种全新的测试模式和污染物检测电位的选择方法，更准确区分不同污染物的生物电化学响应，提高生物电化学传感器的精度。
3、本发明首个实现同一生物电化学传感器对不同污染物的检测。减少了生物电化学传感器用于不同污染物检测时的装置成本。
4、首个实现生物电化学传感器对复杂成分废水中不同污染物浓度的同步检测。
附图说明
图1为生物电化学传感器对亚硝酸盐浓度的响应范围，
图2为生物电化学传感器对BOD浓度的响应范围，
图3为生物电化学传感器在混合溶液(同时含有BOD和亚硝酸盐的溶液)中的检测标准和电响应信号校正方案，
图4为生物电化学反应器构建不同模式下的结构示意图(其中，图4-1是生物电化学反应器构建成MFC模式时的结构示意图，图4-2是生物电化学反应器构建成生物电化学传感器时的结构示意图)
附图标记：11-银/氯化银参比电极、12-生物电极、13-泡沫镍空气电极、14-阳极室、15-阴极室、16-MFC反应器、17-生物电化学传感器、18-电阻、19-恒电位仪。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例对本发明作进一步说明，其目的在于更好地解释本发明而非对本发明的限制。
实施例1
使用污水厂缺氧段污泥水作为接种物，以MFC模式(即微生物燃料电池模式)培养双向检测器用生物电极：
生物电化学反应器外接的电阻18，回路用铜线进行连接。生物电化学反应器用缺氧段污泥水接种，接种过程持续五天，后转入序批模式培养，每天更换基质溶液。通过数字数据收集仪器(KEYSIGHT型号34970A)记录MFC的电压。
具体的：将生物电化学反应器中的生物电极12作为阳极、非生物电极13作为阴极外接电阻18和铜线形成回路，如图4-1所示，通过MFC模式闭路运行该生物电化学反应器，并在该生物电化学反应器的阳极室14中添加接种溶液进行接种，接种溶液为50％的接种物和50％的基质溶液的混合物，接种过程持续五天，每天更换接种溶液；所述基质溶液是50mM磷酸盐缓冲液，其中含有12.5mL L-1微量矿物质、5mL L-1维生素和1.50gBODL-1有机物；所述接种物为污水厂缺氧段污泥水；接种完成后在基质溶液中序批模式培养生物电极，每天更换基质溶液直至电极生物膜生长成熟，其中在接种和培养过程中，阴极室15溶液均为50mMPBS溶液，其中含有12.5mL L-1微量矿物质，5mL L-1维生素，接种和培养过程中每7天进行一次阴极室溶液更换。
所述生物电化学反应器包括由双室反应器构型组成，所述双室反应器构型为具有立方体两腔室结构的反应器，阳极室内径35mm，长度40mm，体积40mL，阴极室内径35mm，长度20mm，体积20mL；两个腔室用阳离子交换膜隔开。
MFC模式闭路运行是指生物电极和非生物电极之间通过铜线和外电阻相连，该模式下生物电极和非生物电极上可以自发进行电化学的半反应，电路中的电子由生物电极向非生物电极传递。
根据MFC的电压我们可以判断检测器用生物电极的生物电化学氧化活性是否稳定。通常MFC在接种后电压曲线稳定且可重复的周期超过3个，我们即认为生物电极已经成长至相对成熟，并具有相对稳定的生物氧化电活性。本实验中，生物电极在第9天满足了电压曲线稳定且可重复的周期超过3个，认为此时生物电极已经具有稳定的生物电化学氧化活性。在确定生物电极生物电化学氧化活性稳定后的第0天，第3天和第6天，将生物电极置于添加20mgNO2 --N L-1亚硝酸盐的50mM PBS溶液中，进行CV扫描。扫描结果显示，生物电极在生物电化学氧化活性稳定后，生物电化学还原活性也保持稳定。因此，我们认为通过在MFC阳极异养培养生物电极的方法，可以在约9天时间内获得具有稳定生物电化学氧化活性和生物电化学还原活性的生物电极。
实施例2
生物电极在含不同溶液中进行CV测试，依据测试结果选取电位阶跃计时电流测试过程中最合适的BOD和亚硝酸盐检测电位：
将生物电化学反应器以三电极体系与恒电位仪19连接从而构建成生物电化学传感器，其中，石墨电极(生物电极)，泡沫镍空气电极和银/氯化银电极分别用作工作电极，对电极和参比电极。将生物电极分别置于50mM PBS,添加100mgBOD L-1乙酸钠的50mM PBS，和添加20mgNO2 --NL-1亚硝酸盐的50mM PBS中进行CV测试。CV的扫描范围为-0.6V～-0.1V(vs.Ag/AgCl),扫速为0.5mV s-1。其中，构建而成的生物电化学传感器在后续测试过程中(包括含有单一污染物的溶液和含有多种污染物的混合溶液的测试)，生物电化学反应器的阴极室溶液与生物电极培养和接种阶段的相同。
结果显示，生物电极需要电极电位高于-0.5V以提供足够的过电势使生物电化学氧化BOD的反应发生。而生物电极需要电极电位低于-0.2V使生物电化学还原亚硝酸盐的反应发生。因此我们可以选择-0.5V作为检测亚硝酸盐时的生物电极电位，以保证生物电化学亚硝酸盐还原反应的发生和抑制生物电化学氧化BOD反应的发生。同理我们可以选择-0.2V作为检测BOD时的生物电极电位，以保证生物电化学氧化BOD反应的发生和抑制生物电化学还原亚硝酸盐还原反应的发生。
实施例3
生物电极在含有不同亚硝酸盐浓度的溶液和不同BOD浓度的溶液中进行电位阶跃计时电流测试，依据测试结果选取信号输出时间点：
将生物电化学反应器以三电极体系与恒电位仪连接，石墨电极(生物电极)，泡沫镍空气电极和银/氯化银电极分别用作工作电极，对电极和参比电极。通过向含有12.5mLL-1微量矿物质和5mL L-1维生素的50mMPBS中添加亚硝酸盐制备标准的含亚硝酸盐的溶液，设置的标准亚硝酸盐溶液的浓度分别2mgNO2 --N L-1,4mgNO2 --N L-1,8mgNO2 --N L-1，12mgNO2 --N L-1和16mgNO2 --N L-1。通过向含有12.5mL L-1微量矿物质和5mL L-1维生素的50mMPBS中添加乙酸钠制备标准的含有BOD的溶液，设置的标准BOD溶液的浓度分别20mgBODL-1,40mgBOD L-1,60mgBOD L-1,80mgBOD L-1,100mgBOD L-1。电位阶跃计时电流测试过程中，生物电极被恒电位仪控制，先在-0.5V下运行10min后切换至-0.2V下运行10min。
实验结果显示，选取电位阶跃计时电流测试进行2.5分钟时的电流值作为亚硝酸盐浓度检测的信号和选则测试进行18分钟时的电流值作为BOD浓度的检测信号可以获得最高的电响应和污染物浓度的线性关系(R2>0.999)，检测标线分别为I＝0.075×cNI-0.005和I＝0.0063×cBOD+0.049。
根据获得的亚硝酸盐以及BOD有机物的检测标线可以用生物电化学传感器单独对含有一种污染物的污水进行检测，具体为，根据生物电化学传感器在被测污水中的电响应以及相对应的检测标线获得被测污水中的污染物浓度。
进一步的，在实施例3的基础上，本申请构建的生物电化学传感器还可以对同时含有BOD有机物和亚硝酸盐的污水进行同步检测其具有的BOD有机物和亚硝酸盐浓度，具体请继续参阅下述技术方案。
实施例4
以本发明为检测方法的生物电化学传感器在亚硝酸盐溶液中和BOD溶液中的线性检测范围测定：
将生物电化学反应器以三电极体系与恒电位仪连接，石墨电极(生物电极)，泡沫镍空气电极和银/氯化银电极分别用作工作电极，对电极和参比电极。通过向含有12.5mLL-1微量矿物质和5mL L-1维生素的50mMPBS中添加亚硝酸盐制备标准的含亚硝酸盐的溶液，设置的标准亚硝酸盐溶液的浓度分别0.01mgNO2 --N L-1,0.05mgNO2 --N L-1,0.1mgNO2 --N L-1,0.5mgNO2 --N L-1,1mgNO2 --N L-1,2mgNO2 --N L-1,4mgNO2 --N L-1,8mgNO2 --N L-1,12mgNO2 --NL-1,16mgNO2 --N L-1,20mgNO2 --N L-1,30mgNO2 --N L-1,50mgNO2 --N L-1,和80mgNO2 --N L-1。通过向含有12.5mL L-1微量矿物质和5mL L-1维生素的50mMPBS中添加乙酸钠制备标准的含有BOD的溶液，设置的标准BOD溶液的浓度分别2mgBOD L-1,5mgBOD L-1,10mgBOD L-1,20mgBODL-1,40mgBOD L-1,60mgBOD L-1,80mgBOD L-1,100mgBOD L-1,120mgBOD L-1,160mgBOD L-1,240mgBOD L-1,320mgBOD L-1,400mgBOD L-1,和500mgBOD L-1。电位阶跃过程中，生物电极被恒电位仪控制，先在-0.5V下运行10min后切换至-0.2V下运行10min。选取电位阶跃计时电流测试2.5min处的电流作为检测污水亚硝酸盐的电信号，选取18min处的电流作为检测污水BOD的电信号。
生物电化学传感器在不同亚硝酸盐溶液和BOD溶液中的响应信号如图1，2所示。
实验结果显示生物电极在亚硝酸盐溶液中的最大线性检测范围为0.05～16mgNO2 --N L-1，在BOD溶液中的最大线性检测范围为2～160mgBOD L-1。
实施例5
以本发明为检测方法的生物电化学传感器在混合溶液中的检测标准建立：
将生物电化学反应器以三电极体系与恒电位仪连接，石墨电极(生物电极)，泡沫镍空气电极和银/氯化银电极分别用作工作电极，对电极和参比电极。通过向含有12.5mLL-1微量矿物质和5mL L-1维生素的50mMPBS中添加亚硝酸盐制备标准的含亚硝酸盐的溶液，设置的标准亚硝酸盐溶液的浓度分别2mgNO2 --N L-1,4mgNO2 --N L-1,8mgNO2 --N L-1,12mgNO2 --N L-1,16mgNO2 --N L-1。通过向含有12.5mL L-1微量矿物质和5mL L-1维生素的50mMPBS中添加乙酸钠制备标准的含有BOD的溶液，设置的标准BOD溶液的浓度分别20mgBODL-1,40mgBOD L-1,60mgBOD L-1,80mgBOD L-1,100mgBOD L-1。向标准亚硝酸盐溶液中添加一定浓度的乙酸钠(BOD计)配置混合溶液，或向标准BOD溶液中添加一定浓度的亚硝酸盐配置混合溶液，添加的乙酸钠浓度分别20mgBOD L-1,40mgBOD L-1,60mgBOD L-1,80mgBOD L-1,100mgBOD L-1，添加的亚硝酸盐浓度分别为2mgNO2 --NL-1,4mgNO2 --N L-1,8mgNO2 --N L-1,12mgNO2 --N L-1,16mgNO2 --N L-1。电位阶跃过程中，生物电极被恒电位仪控制，先在-0.5V下运行10min后切换至-0.2V下运行10min。选取电位阶跃计时电流测试2.5min处的电流作为检测污水亚硝酸盐的电信号，选取18min处的电流作为检测污水BOD的电信号。在对获得的数据进行样条插值后，生物电极在不同测试阶段产生的电响应(Ire和Iox)与亚硝酸盐浓度和BOD浓度之间的关系如图3A和3B所示。
我们选取人工配置的废水验证同步检测的可行性，废水为50mM PBS中添加3.6mgNO2 --N L-1亚硝酸盐和55mgBOD L-1乙酸钠。经过相同的电位阶跃计时电流测试，我们获得了生物电化学传感器对该样品产生的电响应Ire和Iox。依据3A和3B图中电响应与污染物浓度的关系，我们可以获得亚硝酸盐浓度与BOD浓度之间关系的两条曲线。然后，两条曲线的交点值为该样品中的亚硝酸盐和BOD浓度。例如，当Ire＝-0.15mA和Iox＝0.3mA时，表示亚硝酸盐浓度与BOD浓度之间关系的两条曲线在图3C中以实线和虚线显示(实线表示的曲线对应Ire＝-0.15mA，虚线表示的曲线对应Iox＝0.3mA)，两条曲线的交点为被测样品中的亚硝酸盐(3.408mgNO2 --N L-1)和BOD浓度(54.420mgBOD L-1)。
实施例6
生物电化学传感器利用本发明中的测试方法对不同污水进行测试的实际效果
将生物电化学反应器以三电极体系与恒电位仪连接，石墨电极(生物电极)，泡沫镍空气电极和银/氯化银电极分别用作工作电极，对电极和参比电极。待测溶液的参数和测试结果如表1所示。
表1生物电化学传感器在不同污水中的测试结果
实验结果表明(如表1所示)，该生物电化学传感器不仅可以测试含亚硝酸盐的废水(污水)和含BOD的废水(污水)，而且还可以测试含有这两种污染物的废水(污水)。亚硝酸盐测试和BOD测试的最大相对误差(REr)为8.75％和7.0％。
Claims (8)
1.一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1）：将生物电化学反应器中的生物电极作为阳极、非生物电极作为阴极通过MFC模式闭路运行该生物电化学反应器，并在该生物电化学反应器的阳极室中添加接种溶液进行接种，接种溶液为50％的接种物和50％的基质溶液的混合物，接种过程持续五天，每天更换接种溶液；所述基质溶液是50 mM磷酸盐缓冲液，其中含有12.5 mL L-1微量矿物质、5 mL L-1维生素和1.50gBODL-1有机物；所述接种物为含有功能微生物的污水；接种完成后在基质溶液中培养生物电极，每天更换基质溶液直至电极生物膜生长成熟；
步骤2）：将生物电化学反应器以三电极体系连接恒电位仪构建生物电化学传感器、并将生物电极分别在含有亚硝酸盐溶液和含有BOD有机物溶液中进行循环伏安法测试，依据测试结果选取电位阶跃计时电流测试过程中BOD有机物和亚硝酸盐检测电位；其中，所述步骤2）中检测电位选择指的是：根据只含有一种污染物的慢扫描速度CV的实验结果，确定两种污染物对应的生物电化学过程的响应区间，在两个响应区间不重合的部分寻找一个可以只发生单一的生物电化学过程的电位，其中只含有一种污染物为只含有亚硝酸盐或只含有BOD有机物；
步骤3）：将生物电极在含有不同亚硝酸盐浓度的溶液和不同BOD有机物浓度的溶液中进行电位阶跃计时电流测试，依据测试结果选取信号输出时间点、并分别获得生物电化学传感器电响应与亚硝酸盐浓度和BOD有机物浓度的检测标线；根据生物电化学传感器在含有亚硝酸盐的污水或含有BOD有机物的污水中的电响应，分别获得污水中的亚硝酸盐、和污水中的BOD有机物的浓度。
2.根据权利要求1所述的生物电化学方法，其特征在于：还包括：
步骤4）：依据检测电位和输出时间点，将生物电极分别在含有标准亚硝酸盐的溶液和含有标准BOD有机物的溶液中进行电位阶跃计时电流测试，获得生物电极分别在含有亚硝酸盐溶液、和在含有BOD有机物的溶液中的最大线性检测范围；
步骤5）：将生物电极置于含有不同浓度污染物和干扰物的混合溶液中，控制生物电极在不同检测电位间切换运行，获取生物电化学传感器电响应与污染物和干扰物之间的关系，依据电响应与污染物和干扰物之间的关系，计算获得污水中的BOD有机物和亚硝酸盐浓度；其中当亚硝酸盐为污染物时、BOD有机物为干扰物，当BOD有机物为污染物时、亚硝酸盐为干扰物。
3.根据权利要求1所述的生物电化学方法，其特征在于：所述步骤1）中生物电化学反应器由双室反应器构型组成，所述双室反应器构型为具有立方体两腔室结构的反应器，阳极室内径35mm，长度40 mm，体积40 mL，阴极室内径35 mm，长度20 mm，体积20mL；两个腔室用阳离子交换膜隔开；
MFC模式闭路运行是指生物电极和非生物电极之间通过铜线和外电阻相连，该模式下生物电极和非生物电极上可以自发进行电化学的半反应，电路中的电子由生物电极向非生物电极传递；
含有功能微生物的污水，指的是自然环境中或人工驯化后含有相关功能微生物的污水，包括城市污水处理厂缺氧段污水，屠宰场废水，实验室稳定生物电化学系统出水；
功能微生物指的是具有有机物氧化电活性的微生物和具有亚硝酸盐还原电活性的微生物，包括Geobacter属和Pseudomonas属的微生物；
培养生物电极是指，接种过程结束后，生物电极在基质溶液中序批模式培养，每天更换基质溶液；接种和培养过程中，阴极室溶液均为50 mM PBS溶液，其中含有12.5 mL L-1微量矿物质，5 mL L-1维生素，每7天进行一次更换；
电极生物膜生长成熟是指培养的生物电极同时具有稳定的生物电化学氧化活性和生物电化学还原活性；其中稳定的生物电化学氧化活性通过生物电化学反应器在MFC模式运行的电压进行判定，当生物电化学反应器运行的电压稳定可重复周期超过三个后即认为生物电极的生物电化学氧化活性稳定；生物电化学还原活性通过生物电极在固定亚硝酸盐浓度的溶液中进行循环伏安法确定，当扫描曲线的稳定可重复即认为生物电极的生物电化学还原活性稳定。
4.根据权利要求2所述的生物电化学方法，其特征在于：所述步骤2）、步骤3）步骤4）中的电位阶跃计时电流测试指的是，通过恒电位仪向生物电极与参比电极间施加电压控制生物电极电位，测试期间先将生物电极电位设定一个电位值运行10min，后快速切换至另一个电位值运行10 min。
5.根据权利要求2所述的生物电化学方法，其特征在于：所述步骤5）中，含有不同浓度的污染物和干扰物的溶液指的是，在配置好的目标污染物的标准溶液中，添加梯度浓度的干扰物，形成新的含有干扰物的标准溶液。
6.根据权利要求2所述的生物电化学方法，其特征在于：所述步骤5）中，控制生物电极在不同电位间切换运行指的是，将生物电极在一个电位下运行获得与污水中亚硝酸盐浓度相关的响应电流，后将生物电极电位切换至另一个电位运行获得与污水中BOD浓度相关的响应电流。
7.根据权利要求2所述的生物电化学方法，其特征在于：所述步骤5）中，生物电化学传感器电信号和污染物浓度和干扰物浓度之间的关系指的是，生物电化学传感器电信号关于污染物浓度和干扰物浓度的函数。
8.根据权利要求1所述的生物电化学方法，其特征在于：碳基材料作为生物电极材料，泡沫镍空气电极作为非生物电极，银/氯化银作为参比电极，所述碳基材料为碳刷，碳毡，碳布，石墨片。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110657380.6A CN113484398B (zh) | 2021-06-11 | 2021-06-11 | 一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110657380.6A CN113484398B (zh) | 2021-06-11 | 2021-06-11 | 一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113484398A CN113484398A (zh) | 2021-10-08 |
| CN113484398B true CN113484398B (zh) | 2022-05-27 |
Family
ID=77934861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110657380.6A Active CN113484398B (zh) | 2021-06-11 | 2021-06-11 | 一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113484398B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103207230A (zh) * | 2013-04-02 | 2013-07-17 | 北京林业大学 | 一种高锰酸钾作阴极电子受体构建双室微生物燃料电池型bod传感器的方法 |
| CN103326053A (zh) * | 2013-05-23 | 2013-09-25 | 中国农业大学 | 一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统 |
| WO2014082989A1 (en) * | 2012-11-28 | 2014-06-05 | Universitat De Girona | Bioelectrochemical water treatment and apparatus |
| CN107338193A (zh) * | 2017-06-27 | 2017-11-10 | 浙江大学 | 一种用于生物脱除高浓度含氮化合物的微生物的富集方法 |
-
2021
- 2021-06-11 CN CN202110657380.6A patent/CN113484398B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014082989A1 (en) * | 2012-11-28 | 2014-06-05 | Universitat De Girona | Bioelectrochemical water treatment and apparatus |
| CN103207230A (zh) * | 2013-04-02 | 2013-07-17 | 北京林业大学 | 一种高锰酸钾作阴极电子受体构建双室微生物燃料电池型bod传感器的方法 |
| CN103326053A (zh) * | 2013-05-23 | 2013-09-25 | 中国农业大学 | 一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统 |
| CN107338193A (zh) * | 2017-06-27 | 2017-11-10 | 浙江大学 | 一种用于生物脱除高浓度含氮化合物的微生物的富集方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Air-cathode preparation with activated carbon as catalyst, PTFE as binder and nickel foam as current collector for microbial fuel cells;Shaoan Cheng等;《Bioelectrochemistry》;20130313;第92卷;第22-26页 * |
| 单室空气阴极微生物燃料电池硝酸根去除系统的建立和性能研究;黄浩斌等;《环境科学学报》;20190630;第39卷(第6期);第1739-1746页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113484398A (zh) | 2021-10-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113504280B (zh) | 一种实时原位检测污水中亚硝酸盐的生物电化学方法 | |
| Chen et al. | A novel biosensor for p-nitrophenol based on an aerobic anode microbial fuel cell | |
| Modin et al. | A novel bioelectrochemical BOD sensor operating with voltage input | |
| CN1211652C (zh) | 一种富集微生物的电化学方法,用于分析有机物和生化需氧量的生物传感器 | |
| Islam et al. | Electrolytic denitrification: long term performance and effect of current intensity | |
| Hidalgo et al. | Electrochemical and impedance characterization of Microbial Fuel Cells based on 2D and 3D anodic electrodes working with seawater microorganisms under continuous operation | |
| Ramasamy et al. | Impedance spectroscopy as a tool for non‐intrusive detection of extracellular mediators in microbial fuel cells | |
| Zhang et al. | Effect of dissolved oxygen concentration on nitrogen removal and electricity generation in self pH-buffer microbial fuel cell | |
| Wang et al. | Enhancement of biological oxygen demand detection with a microbial fuel cell using potassium permanganate as cathodic electron acceptor | |
| CN103207230A (zh) | 一种高锰酸钾作阴极电子受体构建双室微生物燃料电池型bod传感器的方法 | |
| CN103364469A (zh) | 基于微生物电解池技术快速测定生化需氧量的装置及方法 | |
| CN111175356B (zh) | 一种基于电化学活性微生物同步检测bod和硝态氮的方法 | |
| Jiang | Combination of microbial fuel cells with microalgae cultivation for bioelectricity generation and domestic wastewater treatment | |
| Wu et al. | Riboflavin-mediated extracellular electron transfer process involving Pachysolen tannophilus | |
| Cheng et al. | Fast and simultaneous detection of dissolved BOD and nitrite in wastewater by using bioelectrode with bidirectional extracellular electron transport | |
| Lin et al. | Realizing BOD detection of real wastewater by considering the bioelectrochemical degradability of organic pollutants in a bioelectrochemical system | |
| Wang et al. | Extracellular electron transfer modes and rate-limiting steps in denitrifying biocathodes | |
| CN111855780A (zh) | 一种检测低浓度bom的mfc传感器及其应用 | |
| CN104330455A (zh) | 利用微生物电解池技术在线监测硝态氮浓度的方法与装置 | |
| CN113484398B (zh) | 一种同步检测亚硝酸盐和生化需氧量的生物电化学方法 | |
| Kim et al. | Microbial fuel cell-type biochemical oxygen demand sensor | |
| Motoyama et al. | Measurement of pH distribution near the air-cathode of a single-chamber microbial fuel cell using location sensor-equipped microelectrodes | |
| CN113484397B (zh) | 一种实时原位检测有机废水中bod的生物电化学方法 | |
| CN115340969B (zh) | 一种bod微生物电化学传感器的菌群驯化方法和应用 | |
| RU192836U1 (ru) | Устройство для экспресс-анализа индекса биохимического потребления кислорода |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |