CN115340969B - 一种bod微生物电化学传感器的菌群驯化方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法，在微生物燃料电池(MFC)阳极接种不同来源的菌种的接种液，经历两个阶段的挂膜，其中第一阶段挂膜，添加阳极营养液，置于恒温条件下运行至产电输出稳定，第二阶段挂膜，将阳极营养液替换成模拟测试水体，置于恒温条件下运行至产电输出稳定。本发明提供的微生物菌群驯化方法所需微生物菌源廉价易得，具有广谱性，经驯化后得到的阳极应用于BOD微生物电化学传感器具有测试结果重现性好、测试结果准确、响应时间短、水体BOD适用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微生物学和环境监测领域，具体涉及一种生物传感器的微生物驯化方法和应用，尤其涉及一种BOD微生物电化学传感器的生物驯化方法和应用。
背景技术
人类活动带来的环境污染问题日益严重，其中水体污染问题尤为突出，已严重影响人类的健康。因此，监测环境水体的污染情况，是控制和治理水体污染物的前提。生化需氧量(BOD)是水体环境监测中表征水中有机污染物含量的综合性指标，BOD值越高，则微生物降解有机物过程中所消耗的溶解氧量越高，代表着水体中有机污染物污染越严重。BOD作为最重要的环境监测常规指标之一，其测定对水污染控制及水环境的功能评价具有非常重要的意义。
传统的BOD5/20法耗时长，操作繁琐，技术要求高且重现性差，既不能实时反映水质状况，为环境管理和治理提供科学依据，也不能满足和适应当前环境监测快速检测的要求。利用库伦法原理测得的生化需氧量称为库伦生化需氧量(BODQ)，是基于BOD生物传感器发展而来，由微生物电化学传感器实时在线监测所得，具有响应快、结果准确度高和重现性好等特点，在未来的BOD快速检测中将发挥重要的作用。BOD生物电化学传感器(BOD/MFC)是以阳极上微生物的单一菌种或混合菌种作为生物敏感元件，当待测水体加入BOD/MFC的阳极室时，阳极微生物通过降解代谢有机物，释放电子，经外电路到达阴极产生闭合回路，根据偶联输出的电流变化计算库伦量与BOD浓度的线性关系。可见，阳极微生物是BOD/MFC传感器的核心部分，所选用的菌种种类、数量及其培养方法决定了BODQ的响应特性，而实现一种测试方法的普及要求来源的可重复性，尤其是微生物菌源的广谱性。目前，还没有统一的微生物菌群驯化方法与标准适用于BODQ的检测。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种适用于BOD电化学传感器的微生物菌群驯化方法，能够实现对于微生物菌源的广谱性并用于BOD/MFC传感器的BODQ检测。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法：在微生物燃料电池(MFC)阳极接种不同来源的菌种的接种液，经历两个阶段的挂膜，其中第一阶段挂膜，添加阳极营养液，置于恒温条件下运行至产电输出稳定，第二阶段挂膜，将阳极营养液替换成模拟测试水体，置于恒温条件下运行至产电输出稳定。
在驯化菌群过程中，第一阶段挂膜是在阳极营养液中，有利于富集菌群，第二阶段挂膜是在模拟测试水体中，有利于定向驯化和富集能稳定存在于测试水体环境的菌群，该菌群具有能快速降解代谢废水中有机物，释放电子，稳定将电化学能转化成电能的特点。
作为进一步优选方案，所述阳极营养液的配方为1mM磷酸盐缓冲液，1g/L乙酸钠，0.31g/L氯化铵，0.13g/L氯化钾，12.5mL Wolfe矿质元素；模拟测试水体为模拟废水，配方为0.2-2.0mM磷酸盐缓冲液，GGA溶液(3.75-225mg/L葡萄糖，3.75-225mg/L谷氨酸)，1.7-170mg/L氯化铵，11-55mg/L硫酸镁，5-27.5mg/L氯化钙和5-25mg/L六水合氯化铁，pH为7.0±0.2。在第一阶段挂膜过程中，阳极营养液能提供给接种液中的菌群生长所需营养物质，当挂膜上的菌群获得足够的营养物质用于生长和富集以后才进行第二阶段挂膜，而模拟测试水体不仅需要能提供给菌群生长的营养物质，还需要模拟废水环境，从而才能定向的驯化菌群，并促进驯化后的菌群在挂膜上进一步的生长和富集。
作为进一步的优选方案，所述阳极营养液需使用N2排氧后使用。提供给第一阶段挂膜的菌群在无氧环境中生长。
一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法，还包括：
S1：微生物燃料电池(MFC)阳极的制备：将不锈钢网作为阳极电极的支架，裁剪出同等大小的碳布经预处理去除杂质后，由钛丝固定在支架的一面上，作为阳极电极，钛丝延长，做为阳极电极的导线；
S2：菌液的制备：随机选取人造反应器污泥和自然环境土壤作为微生物菌源，分别加入磷酸盐缓冲液，搅拌混合后静置，取静置后的上清液作为后续驯化的接种液；
S3:微生物燃料电池(MFC)的组装：微生物燃料电池(MFC)的阳极室和阴极室中间使用质子交换膜分隔，阳极室设置有阳极，阴极室设置有阴极和曝气装置，阳极和阴极通过外接电路连接。
在电池中使用更耐腐蚀的不锈钢网和钛丝，有利于微生物燃料电池(MFC)中化学性能转化为电能。
为得到更加稳定和适用于BOD微生物电化学传感器中的菌群，我们对菌群的驯化方法进行了优选，我们发现在此方案下的得到的驯化后的菌群能稳定的应用于BOD微生物电化学传感器中。
作为进一步的优选方案，所述不锈钢网为直径3cm的圆形，不锈钢网用磨砂纸进行打磨去除表面杂质，清水冲洗晾干。
作为进一步的优选方案，所述阳极室中需要添加磷酸盐缓冲液。
作为进一步的优选方案，所述阳极在第一阶段挂膜由5-10个阳极电极捆绑构成。
作为进一步的优选方案，所述预处理是将碳布放入盐酸溶液中浸泡，然后使用去离子水冲洗至碳布的pH为中性，再放入NaOH溶液中浸泡，再将NaOH溶液浸泡后的碳布用去离子水冲洗至pH为中性，最后将碳布置于烘箱中烘干；作为更进一步的优选方案，所述盐酸溶液的浓度为1M，NaOH溶液的浓度为1M，浸泡的时间为30min，烘干的温度为70℃。
作为进一步的优选方案，所述人造反应器为微生物燃料电池阳极生物膜、A/O生物反应器的好氧污泥和厌氧污泥，自然环境为中国科学院重庆绿色智能技术研究院园区花园距表层深2cm处土壤和园区小溪底泥；作为更进一步的优选方案，人造反应器内的取样量均为5g，中国科学院重庆绿色智能技术研究院园区花园距表层深2cm处土壤的取样量为100g，园区小溪底泥的取样量为10g。
作为进一步的优选方案，所述菌液的制备中磷酸盐缓冲液的添加量为1L，浓度为0.5-2mM，pH＝7。
作为进一步的优选方案，所述搅拌混合的时间是15min，静置的时间是2h。
作为进一步的优选方案，所述曝气装置由曝气头、曝气管、曝气泵和玻璃转子流量计组成；作为更进一步的优选方案，曝气装置的曝气强度为10-50L/h。曝气装置有利于在阴极室产生氧气，氧气得电子，与阳极产生的H+结合生成H2O，有利于电池稳定产电。
作为进一步的优选方案，所述阳极室保持厌氧状态，溶解氧浓度不大于0.1mg/L。提供菌群无氧的环境。
作为进一步的优选方案，所述阴极采用金属催化剂Pt/C负载的碳布电极，负载量为0.1-0.5mg/cm2，阴极中加入0.2-2.0mM磷酸盐缓冲液的阴极液。有利于与微生物燃料电池阳极室中阳极的电子同步原位富集。
本发明还提供了一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法获得的驯化菌群，在水体BODQ的检测方面的应用：
微生物电化学传感器(BOD/MFC)的组装与运行：BOD/MFC的阳极室和阴极室中间使用质子交换膜分隔，将微生物燃料电池(MFC)第二次阶段挂膜后的阳极电极作为微生物电化学传感器(BOD/MFC)中的阳极，设置于阳极室中，阴极室设置有空气阴极，阳极和空气阴极通过外接电路连接，外接电路中连接有固定电阻；在微生物电化学传感器中加入模拟测试水体，维护微生物电化学传感器运行至稳定状态。
启动微生物电化学传感器(BOD/MFC)测试BOD浓度范围为5-300mg/L的测试水体，得到驯化后接种液的标准曲线和校正系数。
作为进一步的优选方案，所述阳极室保持厌氧状态，溶解氧浓度不大于0.1mg/L。提供菌群无氧的环境。
作为进一步的优选方案，所述空气阴极是以普通碳布为电极骨架，面向空气的一面先由炭黑填平后进行防水处理，面向溶液的一面负载0.1-0.5mg/cm2的Pt/C催化剂，空气阴极中加入含10-200mM铁氰化钾的磷酸盐缓冲液溶液的阴极液。有利于阳极微生物菌群结构的稳定和电信号的稳定响应。
作为进一步的优选方案，所述微生物电化学传感器(BOD/MFC)的具体温度为30-37℃。此范围内的温度更有利于阳极中微生物菌群的代谢反应。
作为进一步的优选方案，所述BOD浓度具体为5mg/L、20mg/L、60mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L和300mg/L。
本发明还提供了一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法获得的驯化菌群，在水体BODQ的检测方面的应用，还包括：测试水体的预处理，使用氢氧化钠或盐酸调节测试水体的pH值调整到6-8之间，用0.5M的PBS溶液与测试水体以1:4的比例进行混合，混合溶液先进行曝N2排除溶液中的氧，随后加入到微生物电化学传感器(BOD/MFC)的阳极室，运行微生物电化学传感器(BOD/MFC)，进行采集数据。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果为：
本发明提供的微生物菌群驯化方法所需微生物菌源廉价易得，具有广谱性，经驯化后得到的阳极应用于BOD微生物电化学传感器具有测试结果重现性好、测试结果准确、响应时间短、水体BOD适用范围广等优点。本发明提供的微生物菌群驯化方法适用于BOD电化学传感器能达到环境监测中快速检测的要求，可广泛用于微生物电化学传感器中微生物菌群的驯化，实现微生物菌群的标准化，可推广性较强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的不同菌源驯化启动微生物电化学传感器(BOD/MFC)的电压输出结果。
图2A为本发明实施例提供的微生物电化学传感器(BOD/MFC)的自制阳极电极A正面示意图。
图2B为本发明实施例提供的微生物电化学传感器(BOD/MFC)的自制阳极电极A背面示意图。
图3为本发明实施例提供的不同菌源经驯化后得到微生物电化学传感器(BOD/MFC)的测试值与BOD理论值的线性关系及其校正系数。
其中，上述附图包括以下附图标记：
R2-回归平方和与总离差平方和的比值；x-BOD理论值；y-BOD测试值。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅帮助理解本发明，不应视为本发明的具体限制。
本发明一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法：
步骤1：阳极的制备：将直径为3cm的圆形不锈钢网作为阳极电极的支架，裁剪出同等大小的碳布进行预处理，先放入浓度为1M的盐酸溶液中浸泡30min，然后使用去离子水冲洗至碳布的pH为中性，再放入浓度为1M的NaOH溶液中浸泡30min，再将NaOH溶液浸泡后的碳布用去离子水冲洗至pH为中性，最后将碳布置于70℃烘箱中烘干，去除杂质后，由钛丝固定在支架的一面上，作为阳极电极，钛丝延长，做为阳极电极的导线，在挂膜阶段将5-10个阳极电极捆绑作为一个阳极；
步骤2：菌液的制备：随机选取5g微生物燃料电池阳极生物膜、5gA/O生物反应器的好氧污泥、5gA/O生物反应器的厌氧污泥、100g自然环境为中国科学院重庆绿色智能技术研究院园区花园距表层深2cm处土壤和10g园区小溪底泥中的菌群作为微生物菌源，5组菌源中分别加入1L的浓度为0.5-2mM，pH＝7的磷酸盐缓冲液，搅拌混合15min后静置2h，取静置后的上清液作为后续驯化的接种液；
步骤3：微生物燃料电池(MFC)的组装与运行：MFC的阳极室和阴极室中间使用质子交换膜分隔，阳极室设置有阳极，阳极室保持厌氧状态，溶解氧浓度不大于0.1mg/L，阴极室设置有阴极曝气装置，阴极采用金属催化剂Pt/C负载的碳布电极，负载量为0.1-0.5mg/cm2，阴极中加入0.2-2.0mM磷酸盐缓冲液的阴极液，曝气装置的曝气强度为10-50L/h，阳极和阴极通过外接电路连接，阳极室添加N2排氧后的阳极营养液和步骤2中的5组接种液，阳极营养液的配方为1mM PBS，1g/L乙酸钠，0.31g/L氯化铵，0.13g/L氯化钾，12.5mL Wolfe矿质元素，阴极室添加磷酸盐缓冲液，将微生物燃料电池连接数据采集器，置于恒温条件下运行，直至数据采集器显示产电输出稳定，阳极中的阳极电极经历第一阶段挂膜；将阳极营养液替换模拟废水，配方为0.2-2.0mM磷酸盐缓冲液，3.75-225mg/L葡萄糖，3.75-225mg/L谷氨酸，1.7-170mg/L氯化铵，11-55mg/L硫酸镁，5-27.5mg/L氯化钙和5-25mg/L六水合氯化铁，pH为7.0±0.2，恒温条件下运行微生物燃料电池，直至数据采集器显示产电输出稳定，阳极中的阳极电极经历第二阶段挂膜。
本发明还提供了一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法获得的驯化菌群，在水体BODQ的检测方面的应用：
微生物电化学传感器(BOD/MFC)的组装与运行：BOD/MFC的阳极室和阴极室中间使用质子交换膜分隔，将微生物燃料电池(MFC)中已挂膜的阳极电极作为微生物电化学传感器(BOD/MFC)的阳极，设置于阳极室中，阳极室保持厌氧状态，溶解氧浓度不大于0.1mg/L，阴极室设置有空气阴极，空气阴极是以普通碳布作为电极骨架，面向空气的一面先由炭黑填平后进行防水处理，面向溶液的一面负载0.1-0.5mg/cm2的Pt/C催化剂，空气阴极中加入含10-200mM铁氰化钾的磷酸盐缓冲液溶液的阴极液，阳极和空气阴极通过外接电路连接，外接电路中连接有固定电阻；在微生物电化学传感器(BOD/MFC)中加入模拟测试水体，维护微生物电化学传感器(BOD/MFC)在温度为30-37℃下运行至稳定状态；启动微生物电化学传感器(BOD/MFC)测试BOD浓度为5mg/L、20mg/L、60mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L和300mg/L的测试水体，得到5种驯化后的接种液的标准曲线和校正系数。
本发明还提供了一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法获得的驯化菌群，在水体BODQ的检测方面的应用，还包括：将测试水体进行预处理，使用氢氧化钠或盐酸调节测试水体的pH值调整到6-8之间，用0.5M的PBS溶液与测试水体以1:4的比例进行混合，混合溶液先进行爆N2排除溶液中的氧，随后加入到微生物电化学传感器(BOD/MFC)的阳极室，运行微生物电化学传感器(BOD/MFC)，采集数据。
实施例1：
将60目的不锈钢网裁剪成直径为3cm的圆形作为微生物燃料电池(MFC)的阳极电极的支架，通过磨砂纸进行表面打磨去除氧化层和杂质，通过清水进行清洗后室温晾干，备用；同时，裁剪出同等大小的圆形碳布5片，将碳布进行预处理，先放入1M盐酸中浸泡30分钟，用去离子水冲洗至pH中性，再加入1M的NaOH溶液浸泡30分钟，再用去离子水冲洗至pH中性，70℃烘箱烘干。碳布经预处理去除杂质后，由钛丝固定在支架的一面，另一面钛丝延长，做为阳极电极的导线(如图2A和图2B所示)，在第一阶段挂膜，将组装好的5个阳极电极导线捆绑连接作为阳极；
随机选取5g微生物燃料电池阳极生物膜、5gA/O生物反应器的好氧污泥、5gA/O生物反应器的厌氧污泥、100g自然环境为中国科学院重庆绿色智能技术研究院园区花园距表层深2cm处土壤和10g园区小溪底泥中的菌群作为微生物菌源，5组菌源中分别加入1L的浓度为0.5-2mM，pH＝7的磷酸盐缓冲液，搅拌混合15分钟后，静置2小时，取上清液作为驯化的接种液；
微生物燃料电池(MFC)的阳极室添加接种液10mL和由N2排氧后的阳极营养液，阴极室添加0.1M的磷酸盐缓冲液，连接数据采集器并置于恒温条件下运行，直至产电输出稳定；阳极营养液配方为1mM磷酸盐缓冲液，1g/L乙酸钠，0.31g/L氯化铵，0.13g/L氯化钾，12.5mL Wolfe矿质元素。微生物燃料电池(MFC)自启动时间开始计时，运行数个周期至电压输出稳定，经历约20天的第一阶段挂膜。随后，阳极营养液替换成模拟废水后连续运行15天中电压稳定输出，为第二阶段挂膜。模拟废水配方为1.0mM磷酸盐缓冲液，150mg/L葡萄糖和150mg/L谷氨酸、15mg/L氯化铵、24mg/L硫酸镁、15mg/L氯化钙和15mg/L六水合氯化铁，pH为7.0±0.2。最后，取下阳极室的阳极中任意取3片阳极电极分别用于3组平行的微生物电化学传感器(BOD/MFC)的启动与运行。
实施例2：
微生物电化学传感器(BOD/MFC)的阳极室和阴极室中间使用质子交换膜分隔，将微生物燃料电池(MFC)中已挂膜的阳极电极作为微生物电化学传感器(BOD/MFC)的阳极，设置于阳极室中，阳极室保持厌氧状态，溶解氧浓度不大于0.1mg/L，阴极室设置有空气阴极，空气阴极是以普通碳布作为电极骨架，面向空气的一面先由炭黑填平后进行防水处理，面向溶液的一面负载0.1-0.5mg/cm2的Pt/C催化剂，空气阴极中加入含50mM铁氰化钾的磷酸盐缓冲液溶液的阴极液，阳极与空气阴极的外接电路中设置有固定阻值1KΩ的外电阻；使用微生物电化学传感器(BOD/MFC)测试BOD理论值为200mg/L的模拟测试水体，维护微生物电化学传感器(BOD/MFC)在温度为30-37℃下运行至稳定状态；随后将微生物电化学传感器(BOD/MFC)用于测试BOD浓度为5mg/L、20mg/L、60mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L和300mg/L的测试水体，得到驯化后的接种液的标准曲线和校正系数。
根据库伦法BOD计算公式可直接计算出水体的BOD值，通过电压计算得出电流(公式1)，由时间对电流的积分可得到收集的电量也叫库伦量Q(公式2)，通过BODQ计算公式可直接计算BOD值(公式3)，具体公式如下所示：
其中：I为电流(A)；U为电压(V)；R为外电阻(Ω)；t为时间(s)；Q为电量(C)；F为法拉利常数(96485C/mol)；V阳为阳极室体积(L)；BODQ为所测得的BOD值(mgO2/L)。
实施例3：
分别选取了化粪池废水、垃圾渗滤液吹脱液和垃圾渗滤液原液三种实际废水作为待测水样，待测水样的预处理包括：(1)用氢氧化钠或盐酸将废水pH值调整到6-8之间；(2)用0.5M的磷酸盐缓冲液溶液与待测水溶液以1:4的比例混合，使得待测溶液含有0.1M的磷酸盐缓冲液溶液，此时混合溶液的pH值为6.75-7.25，符合测试要求；(3)混合溶液先进行曝N2排除溶液中的氧，随后加入到微生物电化学传感器(BOD/MFC)的阳极室，运行微生物电化学传感器(BOD/MFC)，采集电压数据。
二、验证结果分析
微生物电化学传感器(BOD/MFC)检测BOD理论值为200mg/L的模拟测试水体，结果如图1所示：由于阳极已经提前挂膜，微生物电化学传感器(BOD/MFC)在启动后即有电压信号输出，并经过2-4个周期的运行逐渐趋于稳定，可见此方案下的得到的驯化后的菌群能稳定的应用于微生物电化学传感器(BOD/MFC)中，并且微生物电化学传感器(BOD/MFC)在应用过程中响应时间短。以BOD理论值为200mg/L的模拟测试水体，根据库伦法BOD的计算公式，计算5组微生物电化学传感器(BOD/MFC)检测BODQ值分别为174±4mg/L(实验室MFC)，174±3mg/L(厌氧污泥)，186±10mg/L(好氧污泥)，167±3mg/L(花园土壤)，145±8mg/L(小溪底泥)，可见人为环境的菌源(实验室MFC、厌氧污泥和好氧污泥)启动的BOD/MFC性能无论输出电压还是电量均优于自然环境菌源。
表1不同菌源BOD/MFC测的BODQ值与理论值
| BOD理论值 | 实验室MFC | 厌氧污泥 | 好氧污泥 | 花园土壤 | 小溪底泥 |
| 5 | 5.1±0.4 | 4.5±1.2 | 4.2±0.3 | 4.1±0.4 | 4.0±0.6 |
| 20 | 15.4±0.7 | 12.9±0.5 | 14.3±0.7 | 13.9±0.7 | 12.5±2.1 |
| 60 | 41.9±1.9 | 38.8±3.0 | 41.0±2.0 | 40.5±2.7 | 36.0±0.4 |
| 100 | 82.3±1.2 | 80.4±2.1 | 80.7±2.1 | 83.7±3.1 | 73.6±1.4 |
| 150 | 130.0±2.1 | 130.9±1.7 | 136.2±2.7 | 127.9±4.2 | 116.7±3.3 |
| 200 | 173.9±1.8 | 174.0±2.2 | 186.2±2.9 | 166.5±2.5 | 145.6±3.2 |
| 300 | 265.3±2.6 | 268.9±5.7 | 265.3±4.6 | 255.1±4.1 | 231.2±4.2 |
用不同来源的5组BOD微生物电化学传感器的菌群在微生物电化学传感器(BOD/MFC)测试BOD浓度为5mg/L、20mg/L、60mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L和300mg/L的测试水体，根据库伦法BOD的计算公式，计算5组微生物电化学传感器(BOD/MFC)在不同BOD浓度下的BODQ值，如表1所示，并且得到驯化后的接种液的标准曲线和校正系数，如图3所示。我们发现经次方案驯化后的菌群在微生物电化学传感器(BOD/MFC)可测试BOD浓度为5-300mg/L的水体，测试的水体BOD适用范围广，并且测试结果的稳定性好。
分别选取了化粪池废水、垃圾渗滤液吹脱液和垃圾渗滤液原液三种实际废水作为待测水样，实际废水的水质特征如下表2所示：
表2实际废水的参数指标
| 化粪池废水 | 垃圾渗滤液吹脱液 | 垃圾渗滤液原液 | |
| 预处理前pH | 8.02±0.1 | 11.43±0.2 | 8.00±0.1 |
| 电导率(us/cm) | 1863±10 | 2480±15 | 1748±4 |
| CODcr(mg/L) | 566.8±3.0 | 423.3±5.0 | 477.5±10.0 |
| BOD5(mg O2/L) | 119.2±10 | 105±10 | 95±15 |
采用重铬酸钾作为氧化剂(CODcr)测定的结果不准确，从表2中可以看出，重铬酸钾作为氧化剂(CODcr)测定三种实际废水中的耗氧量的测试结果与传统的BOD5检测方法检测的结果误差很大。
5组不同菌源的微生物电化学传感器(BOD/MFC)，每组菌源有3个平行的微生物电化学传感器(BOD/MFC)，每个微生物电化学传感器(BOD/MFC)进行3次重复检测，根据库伦法BOD的计算公式，得到实际测得的BODQ值除以校正系数后，获得最终的测试结果数据，测试结果如表3所示：
表3不同菌源的微生物电化学传感器(BOD/MFC)测试3种实际废水所获得的BODQ值(mg/L)
| 化粪池废水 | 垃圾渗滤液吹脱液 | 垃圾渗滤液原液 | |
| 实验室MFC | 114.9±2.7 | 134.6±3.0 | 111.1±2.5 |
| 厌氧污泥 | 106.2±2.0 | 106.2±2.7 | 85.8±1.5 |
| 好氧污泥 | 101.2±1.2 | 101.2±1.7 | 84.5±1.0 |
| 花园土壤 | 115.3±2.5 | 110.3±2.4 | 90.9±2.7 |
| 小溪底泥 | 120.8±3.4 | 115.8±5.4 | 86.0±1.7 |
由表3可知，不同菌源的微生物电化学传感器(BOD/MFC)在实际废水测试中均可得到与BOD5相近的测试值，视为有效测试值，并且，使用不同菌源的微生物电化学传感器(BOD/MFC)测试结果均比传统的BOD5测试结果的重现性好。可见，此方案下的微生物驯化方法具有普遍性，适用于微生物电化学传感器微生物菌群的富集，最终实现水体BOD的快速检测。
需注意，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：微生物燃料电池阳极的制备：将不锈钢网作为阳极电极的支架，裁剪出同等大小的碳布经预处理去除杂质后，由钛丝固定在支架的一面上，作为阳极电极，钛丝延长，做为阳极电极的导线；
S2：菌液的制备：选取人造反应器污泥或自然环境土壤作为微生物菌源，分别加入磷酸盐缓冲液，搅拌混合后静置，取静置后的上清液作为后续驯化的接种液；
S3:微生物燃料电池的组装：微生物燃料电池的阳极室和阴极室中间使用质子交换膜分隔，阳极室设置有阳极，阴极室设置有阴极和曝气装置，阳极和阴极通过外接电路连接；
S4：微生物燃料电池的运行：在微生物燃料电池阳极接种阳极营养液和不同来源的菌种的接种液，经历两个阶段的挂膜，其中第一阶段挂膜，添加阳极营养液，置于恒温条件下运行至产电输出稳定，第二阶段挂膜，将阳极营养液替换成模拟测试水体，置于恒温条件下运行至产电输出稳定；
所述阳极室保持厌氧状态，溶解氧浓度不大于0.1mg/L；
所述阴极采用金属催化剂Pt/C负载的碳布电极，负载量为0.1-0.5mg/cm2，阴极中加入0.2-2.0 mM 磷酸盐缓冲液的阴极液；
所述阳极营养液的配方为1mM 磷酸盐缓冲液，1g/L乙酸钠，0.31g/L氯化铵，0.13g/L氯化钾，12.5mL Wolfe矿质元素；
所述模拟测试水体为模拟废水，配方为0.2-2.0 mM 磷酸盐缓冲液，GGA溶液，1.7-170mg/L氯化铵，11-55 mg/L硫酸镁，5-27.5 mg/L氯化钙和5-25mg/L六水合氯化铁，pH为7.0±0.2，所述GGA溶液包括3.75-225 mg/L葡萄糖和3.75-225 mg/L谷氨酸。
2.根据权利要求1所述的一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法，其特征在于，所述阳极营养液需使用N2排氧后使用。
3.根据权利要求1所述的一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法，其特征在于：
所述不锈钢网为直径3cm的圆形，不锈钢网用磨砂纸进行打磨去除表面杂质，清水冲洗晾干；
所述阳极室中需要添加磷酸盐缓冲液；
所述阳极在第一阶段挂膜由5-10个阳极电极捆绑构成；
所述菌液的制备中磷酸盐缓冲液的添加量为1L，浓度为0.5-2mM，pH=7；
所述搅拌混合的时间是15min，静置的时间是2h；
所述曝气装置由曝气头、曝气管、曝气泵和玻璃转子流量计组成，曝气装置的曝气强度为10-50L/h。
4.根据权利要求1所述的一种BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法，其特征在于，所述预处理是将碳布放入盐酸溶液中浸泡，然后使用去离子水冲洗至碳布的pH为中性，再放入NaOH溶液中浸泡，再将NaOH溶液浸泡后的碳布用去离子水冲洗至pH为中性，最后将碳布置于烘箱中烘干；盐酸溶液的浓度为1M，NaOH溶液的浓度为1M，浸泡的时间为30min，烘干的温度为70℃。
5.权利要求1-4任一项所述的BOD微生物电化学传感器的菌群驯化方法在水体BODQ的检测方面的应用，其特征在于，所述微生物电化学传感器的阳极室和阴极室中间使用质子交换膜分隔，将所述微生物燃料电池第二次阶段挂膜后的阳极电极作为微生物电化学传感器中的阳极，设置于阳极室中，阴极室设置有空气阴极，阳极和空气阴极通过外接电路连接，外接电路中连接有固定电阻；在微生物电化学传感器中加入模拟测试水体，维护微生物电化学传感器运行至稳定状态；启动微生物电化学传感器测试BOD浓度范围为5-300mg/L的模拟测试水体，得到驯化后接种液的标准曲线和校正系数；
所述阳极室保持厌氧状态，溶解氧浓度不大于0.1mg/L；
所述空气阴极是以普通碳布为电极骨架，面向空气的一面先由炭黑填平后进行防水处理，面向溶液的一面负载0.1-0.5mg/cm2的Pt/C催化剂，空气阴极中加入含10-200 mM铁氰化钾的磷酸盐缓冲液溶液的阴极液。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述BOD浓度具体为5mg/L、20mg/L、60mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L 和300mg/L。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述微生物电化学传感器的具体温度为30-37℃。
8.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述模拟测试水体的预处理，使用氢氧化钠或盐酸调节模拟测试水体的pH值调整到6-8之间，用0.5M的PBS溶液与模拟测试水体以1:4的比例进行混合，混合溶液先进行曝N2排除溶液中的氧，随后加入到微生物电化学传感器的阳极室，运行微生物电化学传感器，进行采集数据。
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