CN205426847U - 水体中有毒物质生物在线监测及自动预警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水体中有毒物质生物在线监测及自动预警装置，该装置包括生物传感器，用于感应由于引入水体中有毒物质而引起的电流变化；连接管；液体输送泵；水力旋流器；在线脱气机；三通阀；样品采集器；恒电位仪；储液罐；恒温箱；数据采集系统；计算机和控制系统，用于控制整个装置的运行；预警器；计算机和控制系统分别和液体输送泵、在线脱气机、数据采集系统、恒温箱、三通阀及预警器连接；生物传感器通过连接管与液体输送泵、水力旋流器、三通阀和储液罐连接。本实用新型具有灵敏度高、检测时间短（检测时间小于10 min）及操作简单等优点，可在线检测水体中有毒物质，并自动预警，大大提高了监测预警水平。

Description

水体中有毒物质生物在线监测及自动预警装置

技术领域

本实用新型涉及一种用生物方式来监测水体中有毒物质的装置。具体而言，本实用新型涉及用生物电化学技术对水体中有毒物质进行在线自动监测及自动预警装置。

背景技术

随着工农业生产的快速发展和人们生活水平的提高，人工合成化学物质的种类及用量急剧增加，农药、化肥、重金属、工业废水、生活垃圾等大量排入环境，对环境造成了严重污染，这些物质在环境中经过复杂的物理、化学和生物转化过程，又会形成新的污染物，一些污染物还可能进入食物链并在生物体内蓄积，最终对生物圈产生各种各样的毒性效应，给生态环境和公众健康造成严重威胁。

迄今为止，许多研究者已经开发出早期的用于水体中有毒物质进入水中的检测方法和警报装置。在这些传统的用于测定水体中有毒物质的方法中，有理化方法和生物学方法。前者可以定量分析水中某一种或某一类污染物的含量，而污染物的综合毒性往往不是每种单一水体中有毒物质毒性的简单叠加，因此这种方法不能直接、全面地反映水体中各种有毒物质的联合毒性作用，因此其应用范围受到限制。此外，该类方法往往需要对待测样品进行复杂、耗时的前期预处理才能进行后续检测，因此该类方法一般不适合在线检测，也起不到早期预警的作用。它的缺点还在于需要昂贵的设备和高度熟练的工程师以进行检测。

为了弥补这一缺陷，人们开发了各种用于检测水体中有毒物质的生物方法与装置。具有代表性的传统的用于水体中有毒物质的生物检测装置包括一些监控方法，这些监控方法中采用了鱼、水蚤及一些发荧光的微生物等。

鱼类对水环境的变化十分敏感，当水体中有毒物质达到一定质量浓度时，就会引起一系列中毒反应，因而被广泛用于毒物和废水的生物监测、评价。用鱼进行水质监控的装置利用了鱼游动的性质，即它把逆流现象用于检测。安装一个防漏网后，当水体中有毒物质从入水口进入时，鱼受到影响，其游动就会减慢。由于水流的缘故鱼被推回，出于本能鱼猛烈地摆动尾鳍以向前游动，在这个过程中尾鳍就会触动感应器。这个反应转变成电子信号并记录下来，用水质监控装置检测电子信号的值，并用于给出警报或由连接的控制器来控制水的流速，这一信息通过显示器或键盘输出/输入。用于此目的的鱼通常属于鲤科鱼的一种金鱼。用鱼来检测水体中有毒物质的不足在于检测毒性的物体太大，当8ppm的苯酚流入水中时它需要8小时来测定毒性。利用鱼来进行生物毒性预警系统的方法灵敏度低，而且检测时间长、误差范围大。鱼的选择和生长环境降低了预警系统的可重复性和同一性。

水蚤是浮游动物中体形较小的一类，以藻类、真菌、碎屑物及溶解性有机物为食，分布广泛，繁殖能力强，同时对多种水体中有毒物质敏感，是国际上普遍采用的标准毒性实验生物。用水蚤来检测水体中有毒物质的装置应用红外感应器来感应水蚤在水中的活动。它以水蚤的游动为基础，把20只水蚤放入玻璃或丙烯酸树脂试验皿中，被检测的水引入到该试验皿中并从该试验皿排放。当注入水时，水蚤会有反应。当水体中没有有毒物质时，它们表现正常的活动；当水体中含有有毒物质时，它们的运动就变得没有规律而且激烈起来。它们表现的活动越激烈则它们触动红外感应器就越频繁，使电子信号的值增加。温度感应器一直测定温度，电子控制器控制红外感应器并通过一个输出装置显示电子信号的值。早期使用水蚤的预警装置比用鱼的灵敏度高，这是由于使用的物体较小，但是装置的维护比较困难。当换水蚤时，用来进水或出水的试验皿和各种试管都要清洗或更换。由于生长用水需要一周换2到3次，因此对水蚤的生长需要特别小心和留意，需要仔细地将怀孕的和母体水蚤分离出来。必须在一个特殊生长室中培养水蚤，该生长室的内部需要消毒，要除去有碍生长的设备。在生长室中必须提供新鲜空气。

一些发光细菌也可以用于自动检测水体中有毒物质。发光细菌在正常条件下能发出一定强度及波长的光，许多水体中有毒物质可抑制其发光强度，通过测定发光强度变化可以实现水体中有毒物质的检测。利用发光细菌自动检测水体中有毒物质的装置需要各种光检测装置，这使得它昂贵而且需要人员和专家来维护。此外，利用发光细菌法检测水体中有毒物质具有发光强度本底值差异较大，检测期间发光变化幅度宽的问题。此外，也有用微生物燃料电池技术检测水中有毒物质的方法和装置（CN1646696A，CN102636545A），但是该方法中的功能微生物必须以葡萄糖、乙酸等有机质物质为底物，而葡萄糖、乙酸等有机质物质极易染菌而不易保存，从而导致该类装置需要经常维护，使装置的可操作性和稳定性下降。

这些传统的用于水体中有毒物质的自动检测方法和装置的问题最终来源于感应器部分，本实用新型正是基于这一事实而提出。

发明内容

本实用新型需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种水体中有毒物质生物在线监测方法及自动预警装置，它是一种低价、易维护的、快速准确的毒性测定方法，并可实现自动预警。

为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供了一种水体中有毒物质生物在线监测方法及自动预警装置，包括生物传感器，用于感应由于引入水体中有毒物质而引起的电流变化；连接管；液体输送泵；水力旋流器；在线脱气机；三通阀；样品采集器；储液罐、恒温箱；数据采集系统；计算机和控制系统，用于控制整个装置的运行；及预警器；计算机和控制系统分别和液体输送泵、在线脱气机、数据采集系统、恒温箱、三通阀及预警器连接；生物传感器通过连接管及液体输送泵、水力旋流器、三通阀和储液罐连接。

生物传感器通过连接管与液体输送泵、水力旋流器、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机及储液罐连接。

生物传感器可为双室微生物燃料电池、单室微生物燃料电池、双室微生物电解池、单室微生物电解池。生物传感器阳极室中的阳极电极表面附着的功能微生物可为电活性甲烷氧化菌、电活性厌氧氨氧化菌（ANAMMOX菌：AnaerobicAmmoniumOxidationBacteria）。

所述功能微生物可以以水底沉积物、活性污泥及厌氧消化污泥为接种物富集获得。

本实用新型所述水体中有毒物质生物在线监测方法及自动预警装置的生物传感器为双室微生物电解池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间设置有分隔膜，所述分隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜或双极膜；阳极室和阴极室内分别放置阳极电极和阴极电极；所述微生物电解池以惰性镀铂导电材料或铂材料为阴极电极、导电惰性材料（碳布、碳纸、石墨毡、网状玻璃碳或碳纤维刷）为阳极电极；阳极电极和阴极电极间通过钛丝、导线、恒电位仪及电阻连接。

阳极室通过连接管与液体输送泵、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机、储液罐及采样泵连接。

阳极室连接管上连接有样品收集器。

阴极室通过连接管与液体输送泵和储液罐连接。

所述的水体中有毒物质生物在线监测方法及自动预警装置包括恒电位仪，恒电位仪低电位端通过导线与电阻相连，电阻通过钛丝与阴极电极相连，恒电位仪的高电位端通过钛丝与阳极电极相连，电阻两端连接一个用于测定电阻两端电压的数据采集系统。

所述的水体中有毒物质生物在线监测方法及自动预警装置，其恒电位仪输出的直流电压范围为0.2~3.0V。

所述的水体中有毒物质生物在线监测方法及自动预警装置，其特征在于：进入微生物电解池阳极室的样品溶液的流量范围为0.1~100mL/min。

所述的水体中有毒物质生物在线监测方法及自动预警装置，装置上的所有输送泵、采样泵、样品自动稀释器、在线脱气机、恒温箱及数据采集系统均和计算机控制系统连接；数据采集系统和电阻并联，用于采集电阻两端的电压。

所述微生物电解池安装于一个恒温箱内。

所述的水体中有毒物质生物在线监测方法及自动预警装置，其阳极室功能微生物培养过程中不需要添加葡萄糖等有机物，因而极大地提高了装置的可操作性，并降低了装置的维护要求。

当阳极室功能微生物为电活性甲烷氧化菌时，只需要在基本无机培养基（包括磷酸盐缓冲液、微量元素及微量维生素）的基础上补充CH₄就能维持阴极室功能微生物的生长和活性；当阳极室功能微生物为电活性ANAMMOX菌时，只需要基本无机培养基（包括磷酸盐缓冲液、微量元素、微量维生素及厌氧氨）就能维持阴极室功能微生物的生长和活性。

本实用新型同时提供了一种水体中有毒物质生物在线监测方法，包括下述步骤：

a.将电活性功能微生物培养基（其中含有的微生物底物浓度恒定，且相对电活性功能微生物来说底物浓度是饱和的）与待测样品按固定的比例混合经脱气后连续不断地加入到微生物电解池的阳极室中，由于底物浓度恒定，且待测样品中不含有毒物质，此时微生物电解池阳极室中的电活性功能微生物代谢有机物使微生物电解池产生稳定的电信号；

b.将电活性功能微生物培养基（其中含有的微生物底物浓度恒定，且相对电活性功能微生物来说底物浓度是饱和的）与待测样品（含有有毒物质）按固定的比例混合经脱气后连续不断地加入到微生物电解池的阳极室中，当待测样品中含有有毒物质的浓度达到一定值时，此时微生物电解池阳极室中的电活性功能微生物因受到毒害其活性受到抑制，从而导致微生物电解池产生的电信号显著减弱，此时预警系统在自动发出警报的同采集有毒样品以便采用其他方法对含毒样品进行深入分析。

因此，依据本实用新型，当待测样品中含有有毒物质的浓度达到一定值时，微生物电解池阳极电极表面附着的功能微生物因受到毒害其活性就会受到抑制，从而导致微生物电解池产生的电信号显著减弱，此时预警系统在自动发出警报。

本实用新型微生物电解池阳极室功能微生物培养过程中不需要添加葡萄糖等有机物，因而极大地提高了装置的可操作性，并降低了装置的维护要求。

附图说明

图1为用于在线监测水体中有毒物质及自动预警装置的结构示意图。

图2为实施例1的结果图。

图3为实施例2的结果图。

图4为实施例3的结果图。

图5为实施例4的结果图。

通过下面的详细说明并结合附图，可以更清楚地理解本实用新型的上面的及其他的目的、特征和优点。

具体实施方式

实施例1

1.用于在线监测水体中有毒物质的装置的结构及微生物电解池感应器的设计与组装

图1是用于水体中有毒物质生物在线监测及自动预警装置的一个图解说明，所述装置包括：连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、三通阀9、连接管10、储液罐11、连接管12、蠕动泵13、连接管14、在线脱气机15、连接管16、微生物电解池17、微生物电解池阳极电极18、排液管19、导气管20、分隔膜21、导气管22、恒温箱23、储液罐24、连接管25、蠕动泵26、连接管27、微生物电解池阴极电极28、排液管29、钛丝30、电阻31、导线32、恒电位仪33、钛丝34、数据采集系统35、连接管36、样品收集器37、报警器38及计算机和控制部分39。

以下对具有上述结构的用微生物电解池来测定水体中有毒物质的装置的工作原理进行说明。

装置中恒电位仪33的高电位端通过钛丝34与微生物电解池17的阳极电极18相连，低电位端通过导线32、电阻31及钛丝30与微生物电解池17的阴极电极28相连，恒电位仪33的直流输出电压设为1.0V，从而促使在微生物电解池17阳极室中发生有效的生物电化学反应。

计算机和控制部分39分别对采样泵2、蠕动泵7、三通阀9、蠕动泵13、在线脱气机15、恒温箱23、蠕动泵26、数据采集系统35及预警器38进行控制。

待测样品通过连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、三通阀9及连接管10进入在线脱气机15；同时储液罐11中的培养基经连接管12、蠕动泵13、连接管14及连接管10也进入在线脱气机15，脱气后经连接管16从微生物电解池17的阳极室的侧底部进入阳极室，流经阳极室后通过排液管19从阳极室的侧顶部排出；与此同时，CH₄和N₂混合气体（v:v=20:80）（当阳极功能微生物为电活性ANAMMOX菌时只需要N₂）通过导气管20进入微生物电解池17的阳极室。阳极室里有阳极电极18及附着在阳极电极表面能氧化CH₄产生电子和质子的电活性甲烷氧化菌或能氧化NH₃（或NH₄ ⁺）产生电子和质子的电活性ANAMMOX菌（阳极功能微生物）。

与此同时，储液罐24中的电解质溶液通过连接管25、蠕动泵26及连接管27从微生物电解池17的阴极室的侧底部进入阴极室，流经阴极室后通过排液管29从阴极室的侧顶部排出。阴极室里有铂阴极电极28。也就是说，待测样品与培养基经脱氧后同时进入微生物电解池17的阳极室，而电解质溶液进入微生物电解池17的阴极室。此时，微生物电解池17阳极室的电活性甲烷氧化菌氧化甲烷产生质子、电子和CO₂（或电活性ANAMMOX菌氧化NH₃（或NH₄ ⁺）产生电子和质子）；在恒电位仪33提供的直流外加电压的作用下，甲烷（或NH₃、NH₄ ⁺）氧化产生的电子传递到阳极电极18后经钛丝34、恒电位仪33、导线32、电阻31及钛丝30传递到微生物电解池17阴极室的阴极电极28；甲烷（或NH₃、NH₄ ⁺）氧化产生的质子经微生物电解池17中的分隔膜从微生物电解池17阳极室迁移到微生物电解池17阴极室的阴极电极28表面附近；电子和质子在微生物电解池17阴极电极表面结合形成氢气，从而产生电流；阴极室不断通入纯N₂。

流经电阻31的电流由数据采集系统35采集后输入到计算机和控制部分39。一般情况下，当进入微生物电解池17阳极室CH₄（或NH₃、NH₄ ⁺）的量和恒电位仪33的输出电压固定时，微生物电解池17产生的电流不表现任何变化，然而一旦有水体中有毒物质进入阳极室，阳极室中电活性甲烷氧化菌（或电活性ANAMMOX菌）的活性会受到抑制，代谢就会减慢，其氧化甲烷（或NH₃、NH₄ ⁺）的速率就会降低，最终导致微生物电解池17产生的电流骤减，此时计算机和控制部分39处理这样的电流骤减而激活音频或视频预警器38。同时三通阀9与连接管36连通，含有有毒物质的样品进入到样品收集器37。与此同时，储液罐11中的大量培养基经连接管12、蠕动泵13、连接管14、连接管10、在线脱气机15及连接管16进入微生物电解池17的阳极室对有毒物质进行稀释和冲洗，以减少有毒物质对阳极室功能微生物（电活性产甲烷菌或电活性ANAMMOX菌）的毒害。

微生物电解池主要包括阳极室、阴极室、双极膜、石墨毡阴极电极、镀铂钛网阳极电极、硅胶密封圈及不锈钢螺丝固定螺丝。微生物电解池的阳极室和阴极室分别由一块聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板（60×100×20mm）构成，每块板中间雕刻形成一个20×60×8mm的空腔，且微生物电解池的阳极室和阴极室之间用双极膜隔开。阳极室和阴极室都分别设有进水管及出水管（直径3mm）。阳极室中固定有石墨毡阳极电极（20×50×5mm，GFseries,Electro-synthesisCo.,USA），而阴极室中固定有镀铂钛网阴极电极（18×50×2mm，表面积约为25cm²）。石墨毡阳极电极在使用之前先用丙酮浸泡过夜，干燥后用1mol/L的盐酸浸泡24h，然后再用蒸馏水冲洗至中性后待用。镀铂钛网阴极电极使用前用0.5mol/L的硝酸溶液清洗。先将镀铂钛网阴极电极和石墨毡阳极电极分别固定在阴极室和阳极室内，然后依次分别将硅胶密封圈、双极膜、硅胶密封圈及阴极室置于阳极室上，再用不锈钢螺丝固定。镀铂钛网阴极电极与石墨毡阳极电极之间通过钛丝（直径0.3mm）与恒电位仪和电阻（10.1Ω）相连，其中恒电位仪的高电位端与石墨毡阳极电极相连，恒电位仪的低电位端通过导线、电阻及钛丝与镀铂钛网阴极电极相连，恒电位仪的直流输出电压设为1.0V。电阻两端连接一个数据采集系统（myDAQ，上海恩艾仪器有限公司），用于测定流经电阻的电流。

2.微生物电解池阳极电极表面电活性甲烷氧化菌功能微生物的富集

①电活性甲烷氧化菌的富集

电活性甲烷氧化菌培养基1组成（每升溶液含）：MnO₂5g，Fe(OH)₃5g；NaHCO₃2.5g；NH₄Cl0.25g；NaH₂PO₄·H₂O0.6g；KCl0.1g；Wolfe微量维生素溶液10mL；Wolfe微量矿物元素溶液10mL；pH=7.0。

电活性甲烷氧化菌培养基2组成（每升溶液含）：NaHCO₃2.5g；NH₄Cl0.25g；NaH₂PO₄·H₂O0.6g；KCl0.1g；Wolfe微量维生素溶液10mL；Wolfe微量矿物元素溶液10mL；pH=7.0。

Wolfe微量维生素溶液组成：生物素2.0mg；叶酸2.0mg；维生素B6盐酸盐10.0mg；盐酸硫胺素5.0mg；核黄素5.0mg；烟酸5.0mg；D-泛酸钙5.0mg；维生素B₁₂0.1mg；对氨基苯甲酸5.0mg；硫辛酸5.0mg；去离子水1.0L。

Wolfe微量矿物元素溶液组成：氨三乙酸1.5g；MgSO₄·7H₂O3.0g；MnSO₄·H₂O0.5g；NaCl1.0g；FeSO₄·7H₂O0.1g；CoCl₂·6H₂O0.1g；CaCl₂0.1g；ZnSO₄·7H₂O0.1g；CuSO₄·5H₂O0.01g；AlK(SO₄)₂·12H₂O0.01g；H₃BO₃0.01g；Na₂MoO₄·2H₂O0.01g；去离子水1.0L。

电活性甲烷氧化菌培养基1利用N₂与CO₂体积比为80:20的混合气除去培养基中的氧气后，分装入250mL厌氧培养瓶中密封，于121oC湿热灭菌20min后（Wolfe微量维生素混合液、微量矿物元素混合液应过滤灭菌后最后加入），以青岛白沙河入海口处中沉积物（沉积物与水体交界面以下5cm的沉积物）为接种物，接种沉积物污泥量（质量分数）为10%，连续不断鼓充CH₄（30mL/min），以未接种为空白对照，于30oC静置避光厌氧培养，定时取样，用可见分光光度计测Mn²⁺和Fe²⁺浓度。经过15d的厌氧避光培养，菌液逐渐变得浑浊，厌氧管中的棕红色Fe(OH)₃颗粒逐渐变为黑色颗粒，此时认为已从厌氧沉积物污泥中分离筛选出电活性甲烷氧化菌。以初步富集获得的电活性甲烷氧化菌为接种物进一步富集、分离筛选电活性甲烷氧化菌。

②生物阳极制作

以富集、分离筛选电活性甲烷氧化菌为接种物，电活性甲烷氧化菌培养基2经N₂/CO₂混合气（体积比为80:20）除去培养基中的氧气，然后接种物与电活性甲烷氧化菌培养基2按1:9（v/v）的比例接种微生物电解池阳极室，连续不断鼓充CH₄（30mL/min）。微生物电解池为批次操作，每次实验结束后按上述比例加入接种物与电活性甲烷氧化菌培养基2的混合液。微生物电解池阴极室电解质溶液为0.5mol/L磷酸钠脱氧缓冲溶液。恒电位仪33的电位固定为-0.9V，定期对微生物电解池的电流数据进行采样，待微生物电解池的电流最大且稳定后，认为在阳极电极表面充分附着了电活性甲烷氧化菌，此时生物阳极极的制作完成。系统稳定后，此时微生物电解池可以用来检测水体中有毒物质。

3.待测样品中有毒物质测定

阳极电活性甲烷氧化菌功能微生物培养基：电活性甲烷氧化菌培养基2。

阴极电解质溶液：0.5mol/L磷酸钠缓冲溶液。

待测样品通过连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、三通阀9及连接管10以1.8mL/min的流量进入在线脱气机15；与此同时，储也罐11中含有的电活性甲烷氧化菌功能微生物培养基（电活性甲烷氧化菌培养基2）以0.2mL/min的流量经连接管12、蠕动泵13、连接管14及连接管10进入在线脱气机15，并与待测样品在在线脱气机15中混合、脱气后经连接管16从微生物电解池17的阳极室的侧底部进入阳极室，其中待测样品与培养基的体积比为9:1（V/V），同时CH₄和N₂混合气体（v:v=20:80）通过导气管20以10mL/min的流量进入微生物电解池17的阳极室培养微生物，纯N₂通过导气管22以10mL/min的流量进入微生物电解池17的阴极室。与此同时，储液罐24中的电解质溶液（0.5mol/L磷酸钠缓冲溶液）脱氧后以0.5mL/min的流量连续不断地经连接管25、蠕动泵26及连接管27输入到微生物电解池17的阴极室。同时每隔5s用数据采集系统35（myDAQ，上海恩艾仪器有限公司）测定电阻31两端的电压，并将其保存到计算机和控制部分39。起初由于待测样品中不含有毒物质，所以微生物电解池17产生的电流一般恒定不变（图2Ⅰ阶段），然后向待测样品中相继加入汞（Hg）标准溶液，使待测样品中汞（Hg）的最终浓度分别为0.015ppm、0.025ppm、0.035ppm、0.045ppm及0.055ppm，结果表明微生物电解池17产生的电流一般情况下为恒定值（图2Ⅱ、Ⅲ阶段），但当待测样品中Hg的浓度为0.035ppm时微生物电解池17产生的电流值骤减（图2Ⅳ阶段），此时预警器38预警，同时三通阀9与连接管36连通，含有毒物质的样品进入到样品收集器37，检测时间小于15min。与此同时，储液罐11中的大量培养基经连接管12、蠕动泵13、连接管14、连接管10、在线脱气机15及连接管16进入微生物电解池17的阳极室对有毒物质进行稀释和冲洗，以减少有毒物质对阳极室电活性甲烷氧化菌功能微生物的毒害。

此实施例说明该装置可以检测水体中重金属等有毒物质。

实施例2

在实施例2中使用与实施例1相同的检测装置和培养基。待测样品通过连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、三通阀9及连接管10以1.8mL/min的流量进入在线脱气机15；与此同时，储也罐11中含有的电活性甲烷氧化菌功能微生物培养基（电活性甲烷氧化菌培养基2）以0.2mL/min的流量经连接管12、蠕动泵13、连接管14及连接管10进入在线脱气机15，并与待测样品在在线脱气机15中混合、脱气后经连接管16从微生物电解池17的阳极室的侧底部进入阳极室，其中待测样品与培养基的体积比为9:1（V/V），同时CH₄和N₂混合气体（v:v=20:80）通过导气管20以10mL/min的流量进入微生物电解池17的阳极室培养微生物，纯N₂通过导气管22以10mL/min的流量进入微生物电解池17的阴极室。与此同时，储液罐24中的电解质溶液（0.5mol/L磷酸钠缓冲溶液）脱氧后以0.5mL/min的流量连续不断地经连接管25、蠕动泵26及连接管27输入到微生物电解池17的阴极室。同时每隔5s用数据采集系统35（myDAQ，上海恩艾仪器有限公司）测定电阻31两端的电压，并将其保存到计算机和控制部分39。起初由于待测样品中不含有毒物质，所以微生物电解池17产生的电流一般恒定不变（图3Ⅰ阶段），然后向待测样品中相继加入苯酚标准溶液，使待测样品中苯酚的最终浓度分别为0.015ppm、0.025ppm、0.035ppm、0.045ppm及0.055ppm，结果表明微生物电解池17产生的电流一般情况下为恒定值（图3Ⅱ、Ⅲ阶段），但当待测样品中苯酚的浓度为0.045ppm时微生物电解池17产生的电流值骤减（图3Ⅳ阶段），此时预警器38预警，检测时间小于15min，同时三通阀9与连接管36连通，含有毒物质的样品进入到样品收集器37。与此同时，储液罐11中的大量培养基经连接管12、蠕动泵13、连接管14、连接管10、在线脱气机15、连接管16进入微生物电解池17的阳极室对有毒物质进行稀释和冲洗，以减少有毒物质对阳极室电活性甲烷氧化菌功能微生物的毒害。

此实施例说明该装置可以检测水中苯酚等有毒有机物质。

实施例3

在实施例3中使用与实施例1相同的检测装置和培养基。待测样品通过连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、三通阀9及连接管10以1.8mL/min的流量进入在线脱气机15；与此同时，储也罐11中含有的电活性甲烷氧化菌功能微生物培养基（电活性甲烷氧化菌培养基2）以0.2mL/min的流量经连接管12、蠕动泵13、连接管14及连接管10进入在线脱气机15，并与待测样品在在线脱气机15中混合、脱气后经连接管16从微生物电解池17的阳极室的侧底部进入阳极室，其中待测样品与培养基的体积比为9:1（V/V），同时CH₄和N₂混合气体（v:v=20:80）通过导气管20以10mL/min的流量进入微生物电解池17的阳极室培养微生物，纯N₂通过导气管22以10mL/min的流量进入微生物电解池17的阴极室。与此同时，储液罐24中的电解质溶液（0.5mol/L磷酸钠缓冲溶液）脱氧后以0.5mL/min的流量连续不断地经连接管25、蠕动泵26及连接管27输入到微生物电解池17的阴极室。同时每隔5s用数据采集系统35（myDAQ，上海恩艾仪器有限公司）测定电阻31两端的电压，并将其保存到计算机和控制部分39。起初由于待测样品中不含有毒物质，所以微生物电解池17产生的电流一般恒定不变（图4Ⅰ阶段），然后向待测样品中相继加入Hg与苯酚标准溶液，使待测样品中Hg与苯酚的最终浓度分别为0.015ppm（Hg）+0.015ppm（苯酚）、0.025ppm（Hg）+0.025ppm（苯酚）及0.035ppm（Hg）+0.035ppm（苯酚），如实施例1一样，结果表明微生物电解池17产生的电流一般情况下为恒定值（图4Ⅱ阶段），但当待测样品中Hg与苯酚的最终浓度为0.025ppm（Hg）+0.025ppm（苯酚）时微生物电解池17产生的电流值骤减（图4Ⅲ阶段），此时预警器38预警，检测时间小于10min，同时三通阀9与连接管36连通，含有有毒物质的样品进入到样品收集器37。与此同时，储液罐11中的大量培养基经连接管12、蠕动泵13、连接管14、连接管10、在线脱气机15及连接管16进入微生物电解池17的阳极室对有毒物质进行稀释和冲洗，以减少有毒物质对阳极室电活性甲烷氧化菌功能微生物的毒害。

此实施例说明该装置可以检测水体中不同有毒物质的叠加或协同作用。

实施例4

以电活性ANAMMOX菌为微生物电解池阳极室功能微生物在线监测水中有毒物质。

1.用于在线监测水体中有毒物质的装置的结构及微生物电解池感应器的设计与组装

同实施例1。

2.微生物电解池阳极电极表面电活性ANAMMOX菌功能微生物的富集

①电活性ANAMMOX菌的富集

电活性ANAMMOX菌培养基I组成（每1L溶液含）：KH₂PO₄56.7mg，MgCl₂·6H₂O165mg；CaCl₂·6H₂O300mg；NaHCO₃105mg;NH₄HCO₃3.95g;NaNO₂1.725g;MnO₂5g;Fe(OH)₃5g;细菌抑制剂青霉素G100μg；微量元素溶液I0.5mL;微量元素溶液II0.5mL。

电活性ANAMMOX菌培养基I组成（每1L溶液含）：KH₂PO₄56.7mg，MgCl₂·6H₂O165mg；CaCl₂·6H₂O300mg；NaHCO₃105mg;NH₄HCO₃3.95g;细菌抑制剂青霉素G100μg；微量元素溶液I0.5mL;微量元素溶液II0.5mL。

微量元素溶液I组成（g/L）：FeSO₄·7H₂O5;EDTA5。

微量元素溶液II组成（g/L）：EDTA15；ZnCl₂0.255;CoCl₂·6H₂O0.3;MnCl₂·4H₂O1.238;CuCl₂·2H₂O0.213;Na₂Mo₄·2H₂O0.304;NiCl₂·6H₂O0.238;Na₂SeO₃0.067;H₃BO₃0.014;Na₂WO₄·2H₂O0.063;pH=7.5~8.0。

电活性ANAMMOX菌培养基I分装入250mL厌氧培养瓶中，然后利用氩气（Ar）与CO₂体积比为80:20的混合气除去培养基及瓶中的气体中的氧气后密封，以青岛白沙河入海口处中沉积物（沉积物与水体交界面以下5cm的沉积物）为接种物，接种沉积物污泥量（质量分数）为10%，以未接种为空白对照，于35oC静置避光厌氧培养，定时取样，以铵盐、亚硝酸盐、Mn²⁺及Fe²⁺的浓度为判断指标，采用离子色谱检测，当底物去除50%以上时，传代培养于新鲜培养基I，接种量为15%～20%。当菌液逐渐变得浑浊，厌氧瓶中的棕红色Fe(OH)₃颗粒逐渐变为黑色颗粒，此时认为已从厌氧沉积物污泥中分离筛选出电活性ANAMMOX菌。以初步富集获得的电活性ANAMMOX菌为接种物进一步富集、分离筛选电活性ANAMMOX菌。

②生物阳极制作

以富集、分离筛选电活性ANAMMOX菌为接种物，电活性ANAMMOX菌培养基II经Ar/CO₂混合气（体积比为80:20）除去培养基中的氧气，然后接种物与电活性ANAMMOX菌培养基II按1:9（v/v）的比例接种微生物电解池阳极室，连续不断鼓充Ar/CO₂混合气（30mL/min）。微生物电解池为批次操作，每次实验结束后按上述比例加入接种物与电活性ANAMMOX菌培养基II的混合液。微生物电解池阴极室电解质溶液为0.5mol/L磷酸钠脱氧缓冲溶液。恒电位仪33的电位固定为-1.0V，定期对微生物电解池的电流数据进行采样，待微生物电解池的电流最大且稳定后，认为在阳极电极表面充分附着了电活性ANAMMOX菌，此时生物阳极极的制作完成。系统稳定后，此时微生物电解池可以用来检测水体中有毒物质。

3.待测样品中有毒物质测定

阳极电活性ANAMMOX菌功能微生物培养基：电活性ANAMMOX菌培养基II。

阴极电解质溶液：0.5mol/L磷酸钠缓冲溶液。

待测样品通过连接管1、采样泵2、连接管3、水力旋流器4、水力旋流器溢流管5、连接管6、蠕动泵7、连接管8、三通阀9及连接管10以1.8mL/min的流量进入在线脱气机15；与此同时，储也罐11中含有的电活性ANAMMOX菌功能微生物培养基（电活性ANAMMOX菌培养基II）以0.2mL/min的流量经连接管12、蠕动泵13、连接管14及连接管10进入在线脱气机15，并与待测样品在在线脱气机15中混合、脱气后经连接管16从微生物电解池17的阳极室的侧底部进入阳极室，其中待测样品与培养基的体积比为9:1（V/V），同时Ar/CO₂混合气体（v:v=80:20）通过导气管20以10mL/min的流量进入微生物电解池17的阳极室培养微生物，纯N₂通过导气管22以10mL/min的流量进入微生物电解池17的阴极室。与此同时，储液罐24中的电解质溶液（0.5mol/L磷酸钠缓冲溶液）脱氧后以0.5mL/min的流量连续不断地经连接管25、蠕动泵26及连接管27输入到微生物电解池17的阴极室。同时每隔5s用数据采集系统35（myDAQ，上海恩艾仪器有限公司）测定电阻31两端的电压，并将其保存到计算机和控制部分39。起初由于待测样品中不含有毒物质，所以微生物电解池17产生的电流一般恒定不变（图5Ⅰ阶段），然后向待测样品中相继加入汞（Hg）标准溶液，使待测样品中汞（Hg）的最终浓度分别为0.015ppm、0.025ppm、0.035ppm、0.045ppm及0.055ppm，结果表明微生物电解池17产生的电流一般情况下为恒定值（图5Ⅱ、Ⅲ阶段），但当待测样品中Hg的浓度为0.035ppm时微生物电解池17产生的电流值骤减（图5Ⅳ阶段），此时预警器38预警，同时三通阀9与连接管36连通，含有毒物质的样品进入到样品收集器37，检测时间小于15min。与此同时，储液罐11中的大量培养基经连接管12、蠕动泵13、连接管14、连接管10、在线脱气机15及连接管16进入微生物电解池17的阳极室对有毒物质进行稀释和冲洗，以减少有毒物质对阳极室电活性ANAMMOX菌功能微生物的毒害。

工业实用性：

依据本实用新型，当待测样品中含有毒物质时，微生物电解池中电活性细菌的代谢会受到抑制，导致微生物电解池产生的电流骤减，从而起到检测水体中有毒物质及自动预警的目的。在检测水体中有毒物质时，与传统的警报装置相比，微生物电解池的运用使感应器部分的管理与维护费用和人员最少化，并简化操作过程，且装置的灵敏度高、响应快、检测时间短及精确可靠。

一旦检测装置感应到水体中有毒物质的进入信号，即从现场采集含有毒物质的样品置于密封的器皿中，随后可结合其它的物理或化学等方法对样品中的有毒物质进行定性和定量分析。

依据本实用新型，利用微生物电解池检测水体中有毒物质的装置可以快速检测饮用水源的污染情况，也可用于衡量污水的生物毒性的强度，达到早期预警的目的，从而使损失最小化。此外，当在水源的保护区域安装此装置时，可以对保护区域水源的安全起到保护作用，而在工厂和企事业单位的污水排放口安装此装置时，可以有效地预防工厂和企事业单位非法排放污染物。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种水体中有毒物质生物在线监测及自动预警装置，其特征在于：包括生物传感器，用于感应由于引入水体中有毒物质而引起的电流变化；连接管；液体输送泵；水力旋流器；在线脱气机；三通阀；样品采集器；恒电位仪；培养基储液罐；磷酸盐缓冲液储液罐；恒温箱；数据采集系统；计算机和控制系统，用于控制整个装置的运行；及预警器；计算机和控制系统分别和液体输送泵、在线脱气机、数据采集系统、恒温箱、三通阀及预警器连接；

生物传感器通过连接管与液体输送泵、水力旋流器、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机及储液罐连接；

生物传感器为双室微生物燃料电池、单室微生物燃料电池、双室微生物电解池、单室微生物电解池；生物传感器阳极室中的阳极电极表面附着的功能微生物为电活性甲烷氧化菌、电活性厌氧氨氧化菌；

所述功能微生物以水底沉积物、活性污泥及厌氧消化污泥为接种物富集获得。

2.根据权利要求1所述的一种水体中有毒物质生物在线监测及自动预警装置，其特征在于：所述生物传感器为双室微生物电解池，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间设置有分隔膜，所述分隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜或双极膜；阳极室和阴极室内分别放置阳极电极和阴极电极；所述微生物电解池以惰性镀铂导电材料或铂材料为阴极电极、导电惰性材料为阳极电极；阳极电极和阴极电极间通过钛丝、导线、恒电位仪及电阻连接；

所述导电惰性材料为碳布、碳纸、石墨毡、网状玻璃碳或碳纤维刷；

阳极室通过连接管与液体输送泵、样品自动稀释器、静态混匀器、在线脱气机、储液罐及采样泵连接；

阳极室连接管上连接有样品收集器；

阴极室通过连接管与液体输送泵和储液罐连接。

3.根据权利要求1所述的一种水体中有毒物质生物在线监测及自动预警装置，其特征在于：装置上的所有输送泵、采样泵、样品自动稀释器、在线脱气机、恒温箱及数据采集系统均与计算机控制系统连接；数据采集系统和电阻并联，用于采集电阻两端的电压；恒电位仪低电位端通过导线与电阻相连，电阻通过钛丝与阳极电极相连，恒电位仪的高电位端通过钛丝与阴极电极相连，电阻两端连接一个用于测定电阻两端电压的数据采集系统。

4.根据权利要求1所述的一种水体中有毒物质生物在线监测及自动预警装置，其特征在于：恒电位仪输出的直流电压范围为0.2~3.0V。

5.根据权利要求1所述的一种水体中有毒物质生物在线监测及自动预警装置，其特征在于：进入微生物电解池阳极室的样品溶液的流量范围为0.1~100mL/min。