CN113504280A - 一种实时原位检测污水中亚硝酸盐的生物电化学方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时原位检测污水中亚硝酸盐的生物电化学方法，包括步骤1)：将生物电极作为阳极、非生物电极作为阴极通过MFC模式闭路运行，在阳极室中添加接种溶液，接种过程持续五天，每天更换接种溶液；步骤2)：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3)：将生物电化学反应器以三电极体系连接恒电位仪，将电极生物膜置于含有不同亚硝酸盐浓度的溶液进行线性伏安扫描分析，获取电响应、并选择最优电响应输出电位；步骤4)：在不同亚硝酸盐浓度的溶液中获得生物电化学传感器电响应信号与亚硝酸盐浓度的线性方程；步骤5)：依据生物电极在被测污水中的电信号获得被测污水中的亚硝酸盐浓度。

Description

一种实时原位检测污水中亚硝酸盐的生物电化学方法
技术领域
本发明属于生物传感器和水体污染物检测领域。本发明涉及基于生物电化学反应的污染物检测技术，生物电化学传感器采用该检测方法可以实现实时原位的亚硝酸盐浓度测量；尤其涉及一种实时原位检测污水中亚硝酸盐的生物电化学方法。
背景技术
亚硝酸盐是一种典型的有毒污染物，广泛出现在生活废水和工业废水中。污水中的亚硝酸盐随着排放废水的汇集和硝化反应的发生，可能会由低浓度升高至高浓度。通常，
Figure BDA0003113685450000011
的亚硝酸盐累积可引起食物中毒，而3g以上的亚硝酸盐累积可致人死亡。因此，为避免可能的环境和人类健康风险，需定期监测水体亚硝酸盐以保证水体亚硝酸盐浓度始终低于0.1mgNO2 --N L-1。
通常,我们通过N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法或色谱法对亚硝酸盐进行非原位检测。这些方法在测试过程中会排放大量有毒试剂，造成二次污染，且需要长的测试时间，昂贵的实验室设备和熟练的技术人员。因此，这些方法不适合投放于不同水体中进行实时现场亚硝酸盐监测。
基于对生物电化学反应的高度选择性，研究人员开发了以生物合成酶(例如细胞色素c亚硝酸还原酶)为检测单元的生物电化学传感器。随着不同的酶聚合方法的发展包括每单位面积负载更多的亚硝酸还原酶和加快电子转移过程，使得亚硝酸酶生物传感器的检测限达到0.014mgNO2 --N L-1。然而，由于环境因素和毒物的影响，亚硝酸还原酶会发生不可逆变化，致使亚硝酸酶生物传感器的性能发生改变。并且亚硝酸还原酶不具自我再生能力，亚硝酸酶生物传感器的使用寿命极短，因此需要经常更换传感器的检测单元，从而不适用于连续在线的亚硝酸盐监测。
亚硝酸盐还原菌是亚硝酸还原酶的天然载体，并且可以自我再生。因此，有可能可以使用亚硝酸盐还原菌作为检测单元来构建具有稳定的高性能的亚硝酸盐生物传感器。但是，目前未有以亚硝酸盐还原菌作为检测单元的亚硝酸盐生物传感器的报道，这可能是由于成熟的亚硝酸盐还原生物阴极的培养时间较长(通常超过92天)，并且需要持续输入电能以维持电活性亚硝酸盐的增长。此外，实际污水中所含的有机物很可能导致自养生物电化学反应器发生不可逆转的变化，这使得以亚硝酸盐还原菌作为检测单元的亚硝酸盐生物传感器在运行中性能可能发生变化。
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，提供一种实时原位检测污水中亚硝酸盐的生物电化学方法。该方法能够长期实时在线监测污水亚硝酸盐。
一种实时原位检测污水中亚硝酸盐的生物电化学方法，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；其中，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；
步骤2)：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3)：将生物电化学反应器以三电极体系连接恒电位仪，并将电极生物膜置于含有不同亚硝酸盐浓度的溶液进行线性伏安扫描分析，获取生物电极对含有不同亚硝酸盐浓度的溶液的电响应、并选择最优电响应输出电位；
步骤4)：依据最优电响应输出电位，在不同亚硝酸盐浓度的溶液中获得生物电化学传感器电响应信号与亚硝酸盐浓度的线性方程；
步骤5)：依据步骤4)所述的线性方程、和生物电极在被测污水中的电信号获得被测污水中的亚硝酸盐浓度。
优选的，还包括步骤6)：生物电极性能维持阶段：将含有电极生物膜的生物电极作为生物电化学反应器的阳极，重复步骤2)以维持生物电极性能。
优选的，所述步骤1)中：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。
优选的，所述步骤1)中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。
优选的，步骤1)中：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；
所述1.50gBOD L-1有机物中的有机物包括乙酸钠，乳酸，葡萄糖。
优选的，所述步骤2)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；其中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。
优选的，所述步骤3)中：将生物电化学反应器以三电极体系连接恒电位仪是指：生物电极，泡沫镍空气电极和银/氯化银参比电极分别作为工作电极，对电极和参比电极接入恒电位仪，检测过程中，通过恒电位仪向生物电极和参比电极之间施加电压的方式控制生物电极电位，使生物电极运行特定的电化学测试。
优选的，所述步骤3)中最优电响应输出电位是指：扫描电流和亚硝酸盐浓度间的线性关系最好时所对应的输出电位。
优选的，所述步骤3)中线性伏安扫描分析是指对生物电极进行线性伏安扫描测试，扫描范围由-0.2V～-0.6V，扫描速度为4mV s-1。
优选的，所述步骤1)中以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，所述碳基材料包括碳毡，碳布，碳刷和石墨片。
下面对本申请做进一步说明：
一种实时原位检测污水中亚硝酸盐的生物电化学方法。该方法能够对污水亚硝酸盐浓度进行实时在线监测。
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(包括乙酸钠，乳酸，葡萄糖等)作为基质培养生物电极。利用线性伏安扫描来获取生物电极在亚硝酸盐污水中的电响应。选择合适的电响应输出电位，在梯度亚硝酸盐浓度的溶液中获得生物电化学传感器电响应信号与污水亚硝酸盐浓度的线性方程。依据生物电化学传感器输出电流信号与亚硝酸盐浓度的线性方程和生物电极在被测污水中的电信号获得污水中的亚硝酸盐浓度。
其中，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。
其中，生物电极在MFC阳极进行培养，极性翻转后用于亚硝酸盐检测。培养过程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50mM PBS,添加1.5gBOD L-1有机物，12.5mL L-1矿物质，5mL L-1维生素。
其中，使用扫速4mV s-1，扫描范围为-0.2V～-0.6V(vs.Ag/AgCl)的线性伏安扫描来获取生物电极在含亚硝酸盐污水中的电响应。
其中，电位选择需保证在该电位下扫描电流与亚硝酸盐浓度关系线性度R2超过0.999。
其中，生物电极在含有亚硝酸盐的污水中进行线性伏安扫描获得特定电位下的输出电流信号后，利用先前获得的电信号与亚硝酸盐浓度的线性关系，计算污水中的亚硝酸盐浓度。
其中，生物电极与泡沫镍空气阴极外接电阻并用铜线相连组成MFC，生物电极作为MFC阳极运行，维持生物电极电活性的稳定，性能维持过程中生物电极室的溶液同生物电极培养过程中一致。
针对现有难题，我们通过电极极性翻转法将异养培养的MFC阳极用作生物电化学传感器的检测器。将生物电极置于亚硝酸盐溶液中进行线性伏安扫描，通过选取扫描过程中扩散段的电流值表征污水亚硝酸盐含量。该方法可以通过含有电极生物膜的生物电极上的生物电化学反应快速建立污水亚硝酸盐浓度与生物电化学反应器输出电流之间的关系，实现对污水亚硝酸盐浓度实时原位的检测。此外，生物电极还可以通过在微生物燃料电池模式下运行进行储存，保证生物电化学传感器的性能稳定和使其可以长期使用。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种实时原位检测污水中亚硝酸盐的生物电化学方法，该方法以运行生物电极进行线性伏安扫描作为生物电化学传感器的测试方法，利用扫描过程中生物电极浓差极化时产生的电流快速准确测试污水亚硝酸盐浓度的生物电化学传感器。该生物电化学反应器可以通过以微生物燃料电池(MFC)运行模式实现生物电极性能维持，保障生物电化学传感器的性能稳定，达到对污水亚硝酸盐长期实时在线监测的目的。主要包括以下：
(1)具有稳定亚硝酸盐还原电活性生物阴极的快速培养
(2)线性伏安扫描检测方法和输出电响应的选择
(3)生物阴极性能维持方法
本发明使用双室反应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亚硝酸盐生物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(包括碳毡，碳布，碳刷，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，以含有相关功能微生物的污水接种，在MFC中培养生物电极。当生物电化学反应器以生物电化学传感器模式运行时，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。将电极生物膜置于不同亚硝酸盐浓度的溶液中，进行线性伏安扫描分析，获得特定电位下的电流信号，并根据检测标线获得被测样品(即被测污水)的亚硝酸盐浓度。当没有检测需求时，将生物电极用作MFC阳极运行，以维持生物电极性能的稳定。
本发明中双室反应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(+197vs.SHE)的特性，在生物电化学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产电功能微生物的污水，为生物电化学富集过程提供初始的产电功能微生物来源。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，2.75gL-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有机物(可以选用乙酸钠，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。在接种及培养过程中，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，以生物电化学传感器模式运行是指，将生物电极作为生物阴极检测器对污水亚硝酸盐浓度进行检测。生物电极，泡沫镍空气电极和银/氯化银参比电极分别作为工作电极，对电极和参比电极接入恒电位仪。检测过程中，通过恒电位仪向生物电极和参比电极之间施加电压的方式控制生物电极电位，使生物电极运行特定的电化学测试。
本发明中线性伏安扫描分析指的是，对生物电极进行线性伏安扫描测试，扫描范围由-0.2V～-0.6V(vs.Ag/AgCl)，扫描速度为4mV s-1。
本发明中特定电位下的电流信号指的是，以线性伏安扫描过程中，-0.5V电位处的电流值作为输出信号，因为该电位下，扫描电流主要受到浓差极化的影响，电流和亚硝酸盐浓度间的线性关系好。
本发明中检测标线指的是，将电极生物膜置于不同亚硝酸盐浓度的溶液中，获得生物电化学传感器输出电流信号与亚硝酸盐浓度的线性方程。
本发明中以MFC阳极运行维持生物电极性能指的是，将生物电极作为MFC阳极，同生物电极培养阶段相同的模式运行以维持性能。
发明原理描述：
本发明在MFC阳极快速培养具有亚硝酸盐还原电活性的生物电极，并基于电极生物膜对亚硝酸盐的生物电化学还原能力，提供一种实时原位检测污水中亚硝酸盐的生物电化学方法。方法包含了生物电极检测器的制备方法，生物电化学传感器测试参数选择和测试方法，和生物电化学传感器的性能维持。
在生物电极检测器的制备方法上，我们首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阳极用作亚硝酸盐检测器。
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4mV s-1的扫描速度的线性伏安扫描，快速获取电极生物膜的对不同亚硝酸盐浓度的溶液的生物电化学响应。选取不同电位下生物电极在梯度亚硝酸盐浓度的溶液中的扫描电流值，进行拟合，观察各电位下电流值拟合的线性度，选择线性度最高的结果所对应的电位值，作为生物电化学传感器最优的电信号输出电位。该测试方法的测试时间小于2分钟。
在选取合适的电信号输出电位后。生物电极在不同亚硝酸盐浓度的溶液中进行测试，获得生物电化学传感器输出电流信号关于亚硝酸盐浓度的线性方程。
在生物电极性能维持阶段，生物电化学反应器通过改变接线方式，以MFC模式运行，运行参数同生物电极培养阶段。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
1、通过在异养MFC阳极培养，快速获得具有稳定亚硝酸盐还原电活性的生物阴极，显著缩短了检测器用生物阴极的制备时间。
2、通过选取扫描过程中扩散段的电流值表征污水亚硝酸盐含量。该方法可以快速建立污水亚硝酸盐浓度与生物电化学反应器电信号之间的关系，缩短测试时间，并且电响应与亚硝酸盐浓度的线性关系好。
3、利用MFC运行模式实现生物阴极性能维持，使亚硝酸盐生物电化学传感器可以多次重复使用和长时间运行。
附图说明
图1为生物电化学反应器以MFC模式运行接种培养生物电极过程中的电压曲线，
图2为亚硝酸盐生物电化学传感器的检测标线，
图3是生物电化学反应器构建不同模式下的结构示意图(其中，图3-1是生物电化学反应器构建成MFC模式时的结构示意图，图3-2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模式培养检测器用生物电极：
生物电化学反应器外接电阻，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：采用具有立方体两腔室结构的反应器构建生物电化学反应器、以生物电极12作为阳极、非生物电极13作为阴极，其中生物电化学反应器的阳极室14内径35mm，长度40mm，体积40mL，阴极室15内径35mm，长度20mm，体积20mL，两个腔室用阳离子交换膜隔开，如图3-1所示，其中生物电极12可采用石墨电极、非生物电极可采用泡沫镍空气电极13。
通过MFC模式闭路运行生物电化学反应器，即生物电极和非生物电极之间通过铜线和外电阻18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。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12.5mLL-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。生物电化学反应器的阴极室15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，生物电化学反应器在接种和培养阶段每7天进行更换一次阴极室溶液。
接种完成后，生物电极在基质溶液中序批模式培养，每天更换基质溶液直至电极生物膜生长成熟，在接种和培养过程中，MFC阴极室15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。
本实施例中生物电化学反应器在接种培养过程中的电压曲线如图1所示。
根据生物电化学反应器的电压我们可以判断检测器用生物电极的培养情况。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稳定，可以用作生物电化学传感器的检测器进行污染物的检测。如图1中，生物电极在第6天满足了电压曲线稳定且可重复的周期超过3个，此时生物电极可以进行电极极性翻转用于亚硝酸盐检测。利用该方法培养含有成熟生物电极膜的生物电极的过程通常需要4～9天，显著缩短于文献中其他生物阴极的培养方法(大于92天)，使得生物阴极能够被用于污染物检测中。
生物电极培养完成后，生物电化学反应器(包括其具有的生物电极、参比电极、对电极)以及恒电位仪就构建成了用于检测亚硝酸盐浓度的生物电化学传感器。
实施例2
生物电极在含有不同亚硝酸盐浓度的溶液中进行LSV扫描产生的随电位变化的响应电流曲线，依据曲线数据选取最合适的亚硝酸盐检测过程信号输出电位：
将生物电化学反应器以三电极体系与恒电位仪19连接，石墨电极(生物电极)12，泡沫镍空气电极13和银/氯化银电极11分别用作工作电极，对电极和参比电极，如图3-2所示。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0.1mgNO2 --N L-1,0.2mgNO2 --N L-1,0.4mgNO2 --N L-1,1mgNO2 --N L-1,2mgNO2 --N L-1,4mgNO2 --N L-1,8mgNO2 --N L-1和16mgNO2 --N L-1。LSV扫描过程中，生物电极电位被恒电位仪控制由-0.2V(vs.Ag/AgCl)向-0.6V(vs.Ag/AgCl)变化，扫描速度设置为4mV s-1。其中，生物电化学传感器在运行过程中，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。
我们选取LSV扫描曲线-0.4V,-0.5V,-0.6V电位处的电流值进行拟合，线性度分别为0.990，0.999，0.998。因此我们选取-0.5V作为生物电化学传感器在亚硝酸盐检测时的最优信号输出电位。
实施例3
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的检测标线测定：
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5mLL-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0.05mgNO2 --N L-1，0.1mgNO2 --N L-1,0.2mgNO2 --N L-1,0.4mgNO2 --N L-1,1mgNO2 --N L-1,2mgNO2 --N L-1,4mgNO2 --N L-1,8mgNO2 --N L-1和16mgNO2 --NL-1,20mgNO2 --N L-1。选取各LSV扫描曲线-0.5V电位处的电流进行线性拟合，确定拟合度线性度高于0.990的最大线性检测范围，获得对应该有机组分溶液的检测标线。
生物电极在不同亚硝酸盐溶液中的检测标线如图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0.1～16mgNO2 --N L-1，检测线性度高于0.999，检测标线为I＝0.06863×cNI–0.04324。
实施例4
生物电化学传感器利用本发明中的亚硝酸盐测试方法对不同污水的实际检测效果：
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。待测污水的亚硝酸盐浓度和测试结果如表1所示。
表1 生物电化学传感器在不同含亚硝酸盐污水中的测试结果
Figure BDA0003113685450000081
结果显示，生物电化学传感器准确地在不同污水中进行亚硝酸盐浓度测试，测试过程中的最大相对误差仅为7.3％，测试结果的最大相对偏差6.3％。该测试结果表明使用本发明的亚硝酸盐检测方法的亚硝酸盐传感器可以满足多种实际废水中亚硝酸盐实时检测需求。
实施例5
生物电化学亚硝酸盐传感器(又称生物电化学传感器)以MFC模式运行进行性能维持：
生物电化学传感器在结束检测后，断开与恒电位仪之间的连接，将生物电极与泡沫镍空气电极外接电阻，回路用铜线进行连接。生物电化学反应器以同生物电极培养阶段相同的MFC模式运行。生物电极在基质溶液中序批模式培养，每天更换基质溶液。性能维持过程中，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。阴极室溶液为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。
结果显示，生物电化学反应器在性能维持阶段电压稳定可重复，表明生物电极的氧化电活性在亚硝酸盐检测过程中没有明显改变。此外生物电极在性能维持阶段的亚硝酸盐还原电活性也几乎不改变，表现为生物电极在8天性能维持过程中在亚硝酸盐溶液中LSV扫描结果的高度近似。因此我们认为，本发明中生物电化学亚硝酸盐传感器在无检测需求时可以以MFC模式运行进行性能维持，以保证传感器在长期使用中的性能稳定性。

Claims (10)

1.一种实时原位检测污水中亚硝酸盐的生物电化学方法，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；其中，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；
步骤2)：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3)：将生物电化学反应器以三电极体系连接恒电位仪，并将电极生物膜置于含有不同亚硝酸盐浓度的溶液进行线性伏安扫描分析，获取生物电极对含有不同亚硝酸盐浓度的溶液的电响应、并选择最优电响应输出电位；
步骤4)：依据最优电响应输出电位，在不同亚硝酸盐浓度的溶液中获得生物电化学传感器电响应信号与亚硝酸盐浓度的线性方程；
步骤5)：依据步骤4)所述的线性方程、和生物电极在被测污水中的电信号获得被测污水中的亚硝酸盐浓度。
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6)：生物电极性能维持阶段：将含有电极生物膜的生物电极作为生物电化学反应器的阳极，重复步骤2)以维持生物电极性能。
3.根据权利要求1或2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。
4.根据权利要求1或2所述的生物电化学方法，其特征在于：所述步骤1)中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。
5.根据权利要求1或2所述的生物电化学方法，其特征在于：步骤1)中：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；
所述1.50gBOD L-1有机物中的有机物包括乙酸钠，乳酸，葡萄糖。
6.根据权利要求1或2所述的生物电化学方法，其特征在于：所述步骤2)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；其中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，5mLL-1维生素，每7天进行一次更换。
7.根据权利要求1或2所述的生物电化学方法，其特征在于：所述步骤3)中：将生物电化学反应器以三电极体系连接恒电位仪是指：生物电极，泡沫镍空气电极和银/氯化银参比电极分别作为工作电极，对电极和参比电极接入恒电位仪，检测过程中，通过恒电位仪向生物电极和参比电极之间施加电压的方式控制生物电极电位，使生物电极运行特定的电化学测试。
8.根据权利要求1或2所述的生物电化学方法，其特征在于：所述步骤3)中最优电响应输出电位是指：扫描电流和亚硝酸盐浓度间的线性关系最好时所对应的输出电位。
9.根据权利要求1或2所述的生物电化学方法，其特征在于：所述步骤3)中线性伏安扫描分析是指对生物电极进行线性伏安扫描测试，扫描范围由-0.2V～-0.6V，扫描速度为4mVs-1。
10.根据权利要求1或2所述的生物电化学方法，其特征在于：所述步骤1)中以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，所述碳基材料包括碳毡，碳布，碳刷和石墨片。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113960135A (zh) * 2021-11-09 2022-01-21 福建农林大学 一种可充电微生物电化学传感器及其制备和在水质预警中的应用
CN114689673A (zh) * 2022-03-09 2022-07-01 浙江科技学院 一种低成本水体亚硝酸盐浓度快速检测系统及方法
CN114813873A (zh) * 2022-04-18 2022-07-29 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种微生物电化学分析装置及其分析方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100092804A1 (en) * 2008-10-15 2010-04-15 Ut-Battelle, Llc Microbial fuel cell with improved anode
CN101817587A (zh) * 2010-04-20 2010-09-01 大连理工大学 旋转生物阴极微生物燃料电池及其污水处理方法
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
CN104634848A (zh) * 2015-01-25 2015-05-20 浙江大学 一种亚硝酸盐电化学传感器及其制备方法
CN105390716A (zh) * 2015-10-28 2016-03-09 同济大学 一种叠加式微生物燃料电池原位测试系统及其应用
CN109292959A (zh) * 2018-10-24 2019-02-01 成都友益佳环保设备工程有限公司 一种强化低cn比废水阴极反硝化的方法
CN110002578A (zh) * 2019-04-24 2019-07-12 北京工业大学 一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100092804A1 (en) * 2008-10-15 2010-04-15 Ut-Battelle, Llc Microbial fuel cell with improved anode
CN101817587A (zh) * 2010-04-20 2010-09-01 大连理工大学 旋转生物阴极微生物燃料电池及其污水处理方法
WO2014082989A1 (en) * 2012-11-28 2014-06-05 Universitat De Girona Bioelectrochemical water treatment and apparatus
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
CN104634848A (zh) * 2015-01-25 2015-05-20 浙江大学 一种亚硝酸盐电化学传感器及其制备方法
CN105390716A (zh) * 2015-10-28 2016-03-09 同济大学 一种叠加式微生物燃料电池原位测试系统及其应用
CN109292959A (zh) * 2018-10-24 2019-02-01 成都友益佳环保设备工程有限公司 一种强化低cn比废水阴极反硝化的方法
CN110002578A (zh) * 2019-04-24 2019-07-12 北京工业大学 一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113960135A (zh) * 2021-11-09 2022-01-21 福建农林大学 一种可充电微生物电化学传感器及其制备和在水质预警中的应用
CN113960135B (zh) * 2021-11-09 2023-10-31 福建农林大学 一种可充电微生物电化学传感器及其制备和在水质预警中的应用
CN114689673A (zh) * 2022-03-09 2022-07-01 浙江科技学院 一种低成本水体亚硝酸盐浓度快速检测系统及方法
CN114813873A (zh) * 2022-04-18 2022-07-29 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种微生物电化学分析装置及其分析方法
CN114813873B (zh) * 2022-04-18 2024-03-26 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种微生物电化学分析装置及其分析方法

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