单室MFC型生物毒性传感器对重金属离子的检测研究

410128 ； 2. 广 东 省 生 态 环 境 与 土 壤 研 究 所， 广州
510650 ； 3. 广 州 市 环 境 保
2+ Cu 2 + ） 摘要：构建了单室微生物燃料电池（ air-cathode microbial fuel cell ，ACMFC ） 型 生 物 毒 性 传 感 器， 以 含 重 金 属 离 子 （ Cd 、
无需曝气 、 操作简便， 可用于水体 BOD 的在线监 单、 测 . 在此基础上， 本研究进一步分析了该系统作为生 物毒性传感器的可行性 . 1 1. 1 材料与方法 人工配水 、 清洗液 实验采用的人工配水为葡萄糖与谷氨酸标准液 （ GGA 标 准 液 ） 含 Cd
2+ ［ 12 ］
图1 Fig. 1
［ 11 ］ 艺和 微 生 物 传 感 器 开 发 等 方 面 . Mia 等 率先将
能够定 量 分 析 水 体 中 有 毒 物 的 种 类 与 浓 度，
但操作过程复杂， 无法实时在线监测， 而且不能反映 各种有毒物质的综 合 效 应 . 生 物 毒 性 检 测 法 采 用 鱼 类、 蚤 类、 藻 类、 发 光 细 菌、 大肠杆菌等作为指示生 物
抑制率， 建立抑制率与有毒物质浓度之间的线性 关系 . R i = （ Q 1 － Q 2 ） / Q 1 × 100 % R i 为产电 抑 制 率， Q 1 为 不 含 有 毒 物 质 的 GGA 式中， Q 2 为含有毒物质的 GGA 溶液产电量 . 溶液产电量， MFC 恢复与 第 一 次 标 准 溶 液 检 测 时 产 电 量 （ 4 h ） 误差不超过 5% 时进入第二轮检测 . 当 R i = 20% 时， 被检 测 溶 液 的 有 毒 物 质 浓 度 为 IC 20 （ 即 20% 抑制浓度） ［5 ］. 2 2. 1 结果与分析 检测原理 12 ］ 文献［ 中已系统 论 述 了 MFC 型 传 感 器 检 测 BOD 的原理， 反应过程如下 . 阳极反应： （ CH 2 O ） n + n H 2 O → n CO 2 + 4 n e － + 4 n H + （1） 阴极反应： 4e － + O 2 + 4H + → 2H 2 O （2） 即水体中 的 有 机 物 在 MFC 阳 极 室 被 产 电 微 生 物生物氧化， 产生的电子被微生物输送到阳极， 然后 通过外电路到达阴极， 从而形成回路产生电流 . 通过 在线采集 MFC 中的电流信号， 并经过数据处理可获 得特定 BOD 的产电量信息 . 但是一旦水体存在毒害 将影响阳极产电 微 生 物 的 呼 吸 代 谢 过 程 与 电 子 物，
［ 1］
.
7期
吴锋等：单室 MFC 型生物毒性传感器对重金属离子的检测研究
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的产电抑制率呈线性关系， 通过在线检测 MFC 的电 流输出信号来实现 水 质 生 物 毒 性 的 实 时 监 控 . 目 前 韩国已研制出 世 界 上 第 一 台 基 于 MFC 的 水 质 生 物 2000 ） ， 毒性检测仪（ Biomonitoring System HATOX它 采用双室型 MFC 作为核心部件， 阳极室作为进样室 阴极室需 要 连 续 曝 气 以 提 供 氧 气 作 为 最 泵入水样， 终电子受体， 结构与操作较为复杂， 并且由于双室型 MFC 采用 的 质 子 交 换 膜 价 格 昂 贵， 限制了其推广 应用 . 本 课 题 组 采 用 低 成 本 离 子 交 换 膜 代 替 质 子 膜，
［ 7 ～ 10 ］
， MFC 中的产电微生物可进行
胞外呼吸， 它将水体 有 机 污 染 物 生 物 氧 化 过 程 产 生 的电子直接 传 递 至 电 极， 通 过 回 路 形 成 电 流， 因而 MFC 具有产电 与 有 机 物 处 置 的 双 重 功 效 . 目 前， 对 MFC 的研究主要集中在 微 生 物 产 电 、 废水处理新工
［ 11 ］ ， 构建了一种单室 MFC 型 BOD 传感器 它结构 简
后再次清洗， 注入标准 GGA 溶液 20 mL ， 反应 4 h 后 进入第二轮检测 . 注入 清 洗 液 目 的 是 为 了 清 洗 MFC 阳极室内残留 GGA 溶液或重金属离子， 迅速降低输 出电压， 再次检测标 准 溶 液 是 为 了 降 低 重 金 属 离 子 对微生物的影响， 使传感器恢复到检测前的状态， 减 少误差 .
样品测定流程
Operational procedure of the biomonitoring system using air-cathode microbial fuel cells
1. 4
计算 每次检测完毕， 计算产电量， 并按下式计算产电
， pH 其 BOD 为 （ 200 ± 10 ） mg / L ，
水质毒性的快速在线检测是水环境质量评价的 也是实现水质污染预警 、 突发毒害物应 最重要环节， 急处置 、 污染处理设 施 在 线 监 控 等 活 动 的 前 提 与 保 GC-MS 、 LC-MS 障 . 传 统 理 化 分 析 方 法 （ 如 HPLC 、 等）
［ 1］
微生物 燃 料 电 池 （ microbial fuel cell ，MFC ） 是 将化学能直接转 一种以产电微生物 为 阳 极 催 化 剂， 化成电能的装置
人工配水为检测 对 象， 分 析 了 有 毒 物 质 对 检 测 仪 的 抑 制 率 与 有 毒 物 质 浓 度 的 线 性 关 系 . 结 果 表 明， ① 单 室 MFC 型 生 物 毒 性 传 感器结构简单， 操作方便， 灵敏度较高， 可用于水体重金属离子（ Cd
2+
、 Cu 2 + ） 生物毒性的快速检测； ② 在实验条 件 下， 该生物毒
中图分类号： X830. 2 文献标识码： A 3301 （ 2010 ） 07159605 文章编号：0250 -
Development of a Lowcost Single Chamber Microbial Fuel Cell Type BOD Sensor
2 WU Feng 1 ， ，LIU Zhi 1 ，ZHOU Ben 3 ， ZHOU Shun-gui 2 ，RAO Li-qun 1 ，WANG Yue-qiang 2
2+
为 7. 0 ± 0. 1 ，－ 20 ℃ 冷藏， 备用 . 阳 极 液： 取 CdSO 4 溶 液 （ Cd 浓度为 100 mg / L ） 100 ～ 800 μ L ， GGA 溶液 20 mL ， 用阳极清
2+ 洗液定容至 100 mL ， 得 Cd 浓度为 0. 1 ～ 0. 8 mg / L
2+ Cu 2 + 及其混合液 IC 20 值分 别 为 性传感器检测时Hale Waihona Puke Baidu 4 h ， 清洗时间 2 ～ 10 min ， 恢复时间 4 h ； ③ 检测结果显示， 实验室自配 Cd 、
0. 6 、0. 8 和 0. 25 mg / L ， 有毒物质浓度与 MFC 产电量的抑制率呈显著正相关， 相关系数分别为 0. 996 0 、0. 974 4 和 0. 990 7. 关键词：微生物燃料电池；重金属； 生物毒性；在线检测；生物传感器
发育或呼吸活动的 抑 制 效 应 来 评 估 水 质 毒 性 . 由 于 它反映了水质生态 毒 性 的 综 合 结 果， 因而可为水质 得到了迅速发展 的监测和综合评价 提 供 科 学 依 据， 和广泛应用 . 然而， 传统的生物检测方法存在灵敏度 低、 检测时间较长 、 维 护 成 本 高、 指示生物保存困难 的缺陷， 因此迫切需要开发快速 、 简便 、 灵敏度高 、 易 维护 、 能实时在线监测的生物毒性检测仪
（ 1. College of Bioscience and Biotechnology ，Hunan Agricultural University ，Changsha 410128 ，China ； 2. Guangdong Institute of Eco-Environment and Soil Sciences ， Guangzhou 510650 ， China ； 3. Guangzhou Research Institute of Environmental Protection ， Guangzhou 510620 ，China ） Abstract ： The principle of the detector is based on the effect of microbial toxicity of water sample on the electricity generation in microbial fuel cell （ MFC ） . The performance of the MFC-type biotoxicity detector was evaluated with the synthetic water containing heavy metals of Cd 2 + and Cu 2 + . The experimental results demonstrated that ： ① relative to the conventional methods ，the MFC-type detector is easy to operate ， and suitable for on-line measurements with high sensitivity ； ② it only requires 4 h to complete measurements ，and can get ready for next measurement within 4 h ； ③ there is a significant linear correlation between the concentration of toxic metal （ s ） and inhibition ratios in Coulombic yields of MFC. As the IC 20 （ concentration causing 20% inhibition ） of Cd 2 + ，Cu 2 + and mixed metals （ Cd 2 + and Cu 2 + ） were 0. 6 ，0. 8 and 0. 25 mg / L ，the regression coefficients were shown to be 0. 996 0 ，0. 974 4 and 0. 990 7. Key words ： microbial fuel cell （ MFC ） ； heavy metals ； biotoxicity ； on-line measurement ； biosensor
［ 2 ～ 6］
， 通过检测有毒物质对指示生物的运动 、 生长
MFC 引入至水质生物毒 性 的 检 测， 它设计了一个双 室型 MFC 为 核 心 组 件 的 BOD 传 感 器， 结果发现在 阳极液中 有 毒 物 质 种 类 和 浓 度 与 MFC 一定范围内，
0902 ；修订日期 ：2009 1030 收稿日期 ：2009基金项目 ： 国家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （ 863 ） 项 目 （ 2009 AA05Z115 ） ； 广东省自然科 学 基 金 项 目 （ 07006759 ） ； 广 东 省 科 学 院 科 技创新引导项目（ CX200704 ） 作者简介 ： 吴锋（ 1982 ～ ） ， 男， 硕 士 研 究 生， 主要研究方向为生物化 E-mail ： canboyu@ 163. com 学与分子生物学， * 通讯联系人，E-mail ： sgzhou@ soil. gd. cn
第 31 卷第 7 期 2010 年 7 月
环 境 科 学 ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol. 31 ， No. 7 2010 Jul. ，
单室 MFC 型生物毒性传感器对重金属离子的检测研究
吴锋
1， 2 1 3 2* 1 2 ， 刘志 ， 周奔 ， 周顺桂 ， 饶力群 ， 王跃强
（ 1. 湖南农业大学生物科学与技术学院， 长沙 护科学研究院， 广州 510620 ）