CN113960135B

CN113960135B - 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

Info

Publication number: CN113960135B
Application number: CN202111316567.6A
Authority: CN
Inventors: 蒋永; 蔡佳仪; 曾建雄
Original assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Current assignee: Fujian Agriculture and Forestry University
Priority date: 2021-11-09
Filing date: 2021-11-09
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2041-11-09
Also published as: CN113960135A

Abstract

本发明提供了一种可充电微生物电化学传感器，包括：生物电极室；设置于所述生物电极室内的生物阳极及阴极；相对于所述生物电极室设置的对电极室；设置于所述对电极室的对电极；以及设置于所述生物电极室和所述对电极室之间的离子交换膜；并提供了上述可充电微生物电化学传感器的制备方法、该可充电微生物电化学传感器用于水质预警方法；通过对电极和阴极进行充电，通过对电极和生物阳极进行放电，并利用放电过程的电信号进行水质预警；本发明避免了微生物电化学传感器对外加有机碳源或实时驱动电源的依赖，极大拓宽了微生物电化学传感器的应用场景。

Description

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

技术领域

本发明涉及水环境保护领域，具体涉及一种可充电微生物电化学传感器及其制备方法和在水质预警中的应用。

背景技术

水质预警对于保障水生态环境安全十分重要。其中，生物传感器可实现水体的生物毒性监测，表征生物可获得的毒性物质浓度及其生物学效应，是传统物理化学传感器的必要补充。微生物电化学传感器中，通常使用生物阳极为敏感单元，进行水质监测。使用生物阳极敏感单元时，附着在电极表面的电化学活性生物膜可代谢水体中有机物并将电子传递给细胞外的电极，产生电信号。因此，实时分析微生物电化学传感器的电信号，可以表征引起水质变化，干扰电活性生物膜代谢过程的毒性物质的存在。因装置简易，无需附加信号转换元件，敏感单元自我修复等特点，微生物电化学传感器受到广泛关注。

使用现有的微生物电化学传感器进行水质预警，需要实时提供能源动力。例如，使用生物阳极敏感单元时，需要在被监测水体中添加作为能源物质的有机碳源。这可能引发不确定的副反应，以设置额外进水回路的方式增加装置复杂性，并增加人工成本。诚然，某些被监测水体中自身蕴含有机物，可为微生物电化学传感器实时提供能源动力。然而为防止有机物浓度波动的干扰，在微生物电化学传感器仪器开发时，不得不采用设置额外水路及附件，混合被监测水样与含有机物的自配水。或者，可使用电化学工作站、直流电流等设备为微生物电化学传感器提供实时驱动电力。本领域亟待开发新方法，避免微生物电化学传感器对外加有机碳源或实时驱动电源的依赖。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种可充电微生物电化学传感器及其制备方法在水质预警中的应用。具体地，使用可充电微生物电化学传感器进行水质预警前需先进行充电过程。充电过程时，通过直流电源给微生物电化学传感器供电，电能以产有机物的形式贮存，有机物浓度的高低可通过调节充电电流和充电时间控制。水质预警时，微生物电化学传感器处于放电过程，通过分析放电信号表征水体综合毒性，本发明能够避免微生物电化学传感器对外加有机碳源或实时驱动电源的依赖。

本发明一方面提供一种可充电微生物电化学传感器，包括：

生物电极室；

设置于所述生物电极室的生物阳极和阴极，阴极可以为生物阴极或化学阴极；

相对于所述生物电极室设置的对电极室；

设置于所述对电极室的对电极；

以及设置于所述生物电极室和所述对电极室之间的离子交换膜。

通过构造可还原CO₂的阴极，可利用对电极与生物阴极实现微生物电化学传感器的充电并产有机酸，即实现电能到化学能的转换。在本发明中，提供一种生物阴极，利用附着在生物阴极表面的电活性生物膜可从电极获取电子并驱动胞内的代谢过程，以还原CO₂产乙酸。同时，在本发明中，另提供一种化学阴极，即可以利用基于铟或锡金属催化剂的化学阴极还原CO₂产甲酸。可见，充电过程需要阴极具有还原CO₂产有机酸（乙酸或甲酸）的能力是其显著特点。充电完成后，通过对电极和生物阳极进行放电，并利用放电信号进行水质预警。

所述离子交换膜可以是阳离子交换膜或质子交换膜，用于分隔所述生物电极室和所述对电极室，并防止氧气或有机酸等自由混合。在本发明中，采用阳离子交换膜。

本发明的对电极有两个作用：1，通过对电极和生物阴极进行充电，2，通过对电极和生物阳极进行放电。因此，对电极同时具有催化氧化反应及还原反应的功能。在本发明中，采用含铂的对电极，具体为镀铂钛网，此外，需要将镀铂钛网与防水透气膜物理压合在一起。所述防水透气膜的作用是促进空气中O₂的扩散。

本发明另一方面提供一种微生物电化学传感器的制备方法，包括：

提供微生物电化学传感器预制体，所述微生物电化学传感器预制体包括生物电极室；设置于所述生物电极室内的参比电极、生物阳极及阴极；相对于所述生物电极室设置的对电极室；设置于所述对电极室的对电极；以及设置于所述生物电极室和所述对电极室之间的离子交换膜；

提供生物电极室溶液，所述生物电极室溶液包括生物电极液和接种物；所述生物电极液为自养微生物的生长提供必要营养成分，如含C、N、P、微量元素、维生素等的人工配置溶液；所述接种物可为来自污水处理厂的活性污泥。用以制备生物阳极的所述接种物也可以是能够持续利用有机物产生电能的微生物燃料电池的出水。用以制备生物阴极的所述接种物也可以是能够利用电能还原CO₂的微生物电合成装置的阴极液。本发明中，采用活性污泥作为接种物在微生物燃料电池制备生物阳极，活性污泥接种量为5.6%，加入含乙酸盐的生物培养基运行30天，阳极生物膜逐渐成熟，判断依据是输出电流逐渐稳定。将已成功富集的生物阳极转移至微生物电化学传感器的生物电极室，进一步采用活性污泥作为接种物在微生物电化学传感器原位制备生物阴极。原位制备生物阴极的活性污泥接种量为5%。通过直流电源将对电极和阴极串联，恒定1 mA充电运行12天，阴极生物膜逐渐成熟，判断依据是有一定量的乙酸积累（约1 g L^-1）。

当使用化学阴极而不是生物阴极时，可省去制备生物阴极时利用接种物制备生物阴极的步骤。此处使用涂抹金属催化剂的方式制备化学阴极后，与生物阳极一起放置于生物电极室中。

提供对电极室溶液，当使用溶解态的化合物发生氧化和还原反应时，可使用铁氰化钾/亚铁氰化钾等溶液。当使用固态的化合物发生氧化和还原反应时，如Ag₂O/Ag，可使用常规电解质溶液。当使用气态的化合物发生氧化和还原反应时，如O₂/H₂O，也可使用常规电解质溶液。所述常规电解质溶液包括但不限于NaCl溶液，KCl溶液，磷酸缓冲溶液及其混合物等。

所述生物阳极或生物阴极是附着有电化学活性生物膜的碳材料，所述碳材料优选为碳毡，更优选为厚度为5 mm，截面积为7 cm²的碳毡。所述对电极要求同时具有催化氧化反应及还原反应的功能。当使用O₂/H₂O发生氧化和还原反应时，通常需要贵金属催化剂。在本发明中，采用含铂的对电极。

本发明还提供一种利用上述可充电微生物电化学传感器进行水质预警的方法，包括：先通过直流电源将对电极和阴极串联，给微生物电化学传感器进行充电，电能以产有机物的形式贮存。然后将被监测水样混入生物电极室溶液，再通过电阻将对电极和生物阳极串联，给微生物电化学传感器进行放电，有机物被生物阳极氧化，在外电路产生电流，通过电信号记录装置的电信号变化进行预警。在放电过程中，将被监测水样混入生物电极室溶液。如果被监测水样没有毒性，则电信号平滑；如果被监测水样有毒性，则会造成电信号的急剧变化，触发水质预警信号。所述电信号可以是电流信号，电压信号或库伦量等。本研究采用电流作为电信号，因此如果被监测水样没有毒性，则电流信号平滑；如果被监测水样有毒性，则会造成电流信号的急剧下降，触发水质预警信号。

所述直流电源包括干电池等直接输出直流电能的电源，也包括可将交电流源转化为直流的电源设备，或可提供直流电源的电池测试系统及电化学工作站。充电电流密度依赖于阴极性能，通常生物阴极为0.1-10 mA/cm²，化学阴极为1-100 mA/cm²。在本发明中，使用电池测试系统给配备生物阴极的可充电微生物电化学传感器充电时，充电电流优选为1mA/cm²；使用电池测试系统给配备化学阴极的可充电微生物电化学传感器充电时，充电电流优选为8 mA/cm²。

所述电阻包括定值电阻或滑动变阻，也包括小灯泡等用电设备。阻值范围为10-10000 Ω。在本发明中，优选为500 Ω定值电阻。

所述电信号记录装置包括欧姆表等手动电信号记录装置，也包括数据采集系统、电池测试系统及电化学工作站等自动电信号记录装置。

附图说明

图1为本发明的一个具体实施方式中可充电微生物电化学传感器的结构示意图；

图2为本发明的一个具体实施方式中使用可充电微生物电化学传感器的充电电流及放电电流变化情况示意图，使用生物阴极还原CO₂产乙酸以贮存电能；

图3为本发明的一个具体实施方式中使用可充电微生物电化学传感器的充电电流及放电电流变化情况示意图，使用化学阴极还原CO₂产甲酸以贮存电能；

图4为本发明的一个具体实施方式中使用可充电微生物电化学传感器进行水质预警的电流信号变化情况示意图；

附图标记说明：1-生物阳极；2-参比电极；3-生物阴极或化学阴极；4-生物电极室；5-阳离子交换膜；6-对电极室；7-镀铂钛网；8-防水透气膜；9-电池测试系统；10-电阻。

具体实施方式

下面用实施例对本发明进行进一步的描述，应当指出，这些实施例仅为示例性的，对本发明的实质与范围不构成任何限制。

实施例1

在本实施例中，结合图1，对本发明的一个具体实施方式中的可充电微生物电化学传感器的结构进行说明。如图1所示，其包括：

生物电极室；

设置于所述生物电极室4的生物阳极1，生物阴极或化学阴极3与参比电极2；其中参比电极可以用于分析生物阳极以及阴极的性能，其设置与否不影响可充电微生物电化学传感器的功能及使用。

相对于所述生物电极室设置的对电极室6；

设置于所述对电极室的对电极，由镀铂钛网7与防水透气膜8物理压合在一起构成；

设置于所述生物电极室和所述对电极室之间的阳离子交换膜5；

设置于在充电过程中将所述对电极与所述生物阴极串联，以及采集电信号的电池测试系统9；

以及设置于在放电过程中将所述对电极与所述生物阳极串联的电阻10。

实施例2

在本实施例中，结合图2，对本发明的一个具体实施方式中的可充电微生物电化学传感器的制备方法进行说明。此处采用生物阴极。

制备生物阳极：采用活性污泥作为接种物在微生物燃料电池制备生物阳极，接种量为5.56%。电极为碳毡，微生物燃料电池的阴极和阳极之间连接1000 Ω电阻。生物阳极培养基具体成份为：KH₂PO₄，4.4 g L⁻¹；K₂HPO₄，2.6 g L⁻¹；NH₄Cl，0.31 g L⁻¹；MgCl₂·6H₂O，0.2g L⁻¹；Na₂SO₄，0.2 g L⁻¹；CaCl₂，0.2 g L⁻¹；CH₃COONa，1.64 g L⁻¹；酵母膏，0.5 g L⁻¹。阴极液为铁氰化钾溶液。使用电池测试系统采集1000 Ω电阻两端的电压，至电压稳定可重复，即生物阳极制备完成。

将生物阳极转移至微生物电化学传感器，采用活性污泥作为接种物在微生物电化学传感器原位制备生物阴极，生物电极室内装有含生物电极液和接种物的生物电极室溶液，以污泥作为接种物，接种量为5%。生物电极液具体成份为：KH₂PO₄，4.4 g L⁻¹；K₂HPO₄，2.6g L⁻¹；NH₄Cl，0.31 g L⁻¹；MgCl₂·6H₂O，0.2 g L⁻¹；Na₂SO₄，0.05 g L⁻¹；NaHCO₃，0.05 g L⁻¹；酵母膏，0.05 g L⁻¹；2-溴乙烷磺酸钠，1 g L⁻¹。生物电极室内装有的生物电极室溶液需使用CO₂充分曝气，以提供充足的无机碳源。对电极室溶液为磷酸缓冲液：KH₂PO₄，4.4 g L⁻¹；K₂HPO₄，2.6 g L⁻¹。制备生物阴极时，将对电极与基于碳毡的阴极充电，充电电流为1 mA，运行12天，生物膜逐渐成熟，判断依据是有一定量的乙酸积累，即生物阴极制备完成。

完成微生物电化学传感器的制备后，可对其充放电性能进行考察。连接生物阴极和对电极，断开生物阳极，恒流充电7 mA运行2天后，完成充电，此时乙酸的浓度为0.3 ±0.1 g L⁻¹。断开生物阴极，连接生物阳极和对电极，生物阳极与对电极之间外接50 Ω电阻，进行放电。放电时间可稳定持续5-8天，如图2所示。

实施例3

在本实施例中，结合图3，对本发明的一个具体实施方式中的可充电微生物电化学传感器的制备方法进行说明。

采用底物从乙酸转换为甲酸的方式制备生物阳极，即将实施例2中的生物阳极的底物更改为甲酸，微生物燃料电池的阴极和阳极之间连接1000 Ω电阻。生物阳极培养基具体成份为：KH₂PO₄，4.4 g L⁻¹；K₂HPO₄，2.6 g L⁻¹；NH₄Cl，0.31 g L⁻¹；MgCl₂·6H₂O，0.2 g L⁻¹；Na₂SO₄，0.2 g L⁻¹；CaCl₂，0.2 g L⁻¹；CHNaO₂·2H2O，2.08 g L⁻¹；酵母膏，0.5 g L⁻¹。阴极液为铁氰化钾溶液。使用电池测试系统采集1000 Ω电阻两端的电压，至电压稳定可重复，即生物阳极制备完成。

采用在商业化气体扩散电极上涂抹SnO₂的方法制备化学阴极。具体步骤为：将30mg SnO₂纳米粉末与400 μL异丙醇、132 μL的Nafion溶液混匀后，涂覆到4 cm²（长和宽各为2cm）的商业化气体扩散电极上，自然风干24 h备用。

将所制备的生物阳极及化学阴极均转移至微生物电化学传感器。化学阴极的引电材料为铂片电极夹。生物电极液具体成份为：KH₂PO4，0.05 g L⁻¹；NH₄Cl，0.31 g L⁻¹；MgCl₂·6H2O，0.2 g L⁻¹；Na₂SO₄，0.05 g L⁻¹；NaHCO₃，16.8 g L⁻¹；酵母膏，0.05 g L⁻¹；2-溴乙烷磺酸钠，1 g L⁻¹；pH调为7。生物电极液使用CO₂充分曝气，以提供充足的无机碳源。对电极室为磷酸缓冲液：KH₂PO₄，4.4 g L⁻¹；K₂HPO₄，2.6 g L⁻¹。连接生物阴极和对电极，断开生物阳极，恒流充电16 mA运行6小时后，完成充电，此时甲酸的浓度为接近0.1 g L⁻¹。断开生物阴极，连接生物阳极和对电极，生物阳极与对电极之间外接50 Ω电阻，进行放电。放电时间可稳定持续2.5天。如图3所示。

实施例4

在本实施例中，结合图4，对本发明的一个具体实施方式中的可充电微生物电化学传感器进行水质预警的方法进行说明。按实施例2完成可充电微生物电化学传感器的充电过程后，生物阳极与对电极之间连接500 Ω电阻，进行放电过程。在放电过程中，电信号平稳的某一时刻，本实施例中为开始放电后的2天，在生物电极室溶液中投加甲醛溶液，使得生物电极室的甲醛浓度为0.025%-0.1%，输出电压立即下降，20分钟后电压下降到初始电压的50%以下，如图3所示。说明本发明提供的可充电微生物电化学传感器对浓度为0.025%-0.1%的甲醛有响应。通常微生物电化学传感器的电信号在短时间内，如30分钟，下降10%，即可触发预警信号。本实施例中，仅使用了甲醛为模式毒性物质对可充电微生物电化学传感器的水质预警性能进行了考察。同理，其它可抑制电活性微生物代谢活性的毒性物质也可被本发明的可充电微生物电化学传感器检测。

虽然本发明已作了详细描述，但对从事本领域研究的技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的，以上描述仅作为示例的方式，而非旨在限制本发明。

Claims

1.一种可充电微生物电化学传感器，包括：

生物电极室；

设置于所述生物电极室的生物阳极和阴极，阴极为生物阴极或化学阴极；

相对于所述生物电极室设置的对电极室；

设置于所述对电极室的对电极；

以及设置于所述生物电极室和所述对电极室之间的离子交换膜；

充电过程中阴极具有还原CO₂产有机酸的能力。

2.一种如根据权利要求1所述的可充电微生物电化学传感器的制备方法，其特征在于，包括：

提供微生物电化学传感器预制体，所述微生物电化学传感器预制体包括生物电极室；设置于所述生物电极室内的生物阳极及阴极；相对于所述生物电极室设置的对电极室；设置于所述对电极室的对电极；以及设置于所述生物电极室和所述对电极室之间的离子交换膜；

提供生物电极室溶液，所述生物电极室溶液包括生物电极液和接种物；提供对电极室溶液；

将所述微生物电化学传感器预制体的生物阳极和阴极分别与对电极电性连接，并将生物阳极和阴极插入生物电极室溶液中，对电极插入对电极室溶液中。

3.一种如权利要求1所述的可充电微生物电化学传感器在水质预警方法中的应用，其特征在于：先通过直流电源将对电极和阴极串联，给微生物电化学传感器进行充电，电能以产有机物的形式贮存；再将被监测水样混入生物电极室溶液中，并将电阻、对电极和生物阳极串联，进行放电，有机物被生物阳极氧化，在外电路产生电流，通过电信号记录装置的电信号变化进行预警；如被监测水样没有毒性，则电信号平滑；如被监测水样有毒性，则造成电信号的急剧变化，触发水质预警信号。