小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活性的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活性的方法，采用由若干個雙室微生物燃料電池構成的集成式微生物燃料電池。該方法首先提取污染土壤懸液充入雙室微生物燃料電池的陽極室內，然后配制鐵氰化鉀的磷酸緩沖鹽溶液灌滿至雙室微生物燃料電池的陰極室，最后將電池運行期間的產電電量作為指示土壤微生物活性的指標。本發(fā)明的方法檢測成本低，操作簡便，對土壤污染靈敏度高，能連續(xù)實時檢測土壤微生物活性，且小型化和集成式可以提高檢測效率。
【專利說明】小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活性的 方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于一種土壤微生物檢測技術，具體涉及小型化集成式微生物燃料電池指 示污染土壤微生物活性的方法。

【背景技術】
[0002] 土壤微生物是土壤物質轉化和養(yǎng)分循環(huán)的重要執(zhí)行者，土壤微生物活性的降低， 意味著土壤受到不利因素如污染的脅迫，并導致土壤質量的降低。當前普遍采用生物學指 標檢測土壤微生物活性，所涉及的方法包括微生物生物量、微生物商、代謝商、土壤酶活性、 碳源利用圖譜和土壤微量熱等指標。這些指標的檢測需要經過多個實驗步驟，操作繁瑣并 消耗較多試劑與人工。而且碳源利用圖譜和土壤微量熱等方法需要分別使用BI0L0G儀和 微量熱儀等價格昂貴的設備以及價格不菲的耗材，而且上述方法都不能實現(xiàn)連續(xù)實時監(jiān) 測。
[0003] 微生物燃料電池是一類通過產電微生物的催化作用，把有機質的化學能轉化為電 能的裝置，所產生的電流強度與產電微生物的代謝活性密切相關。土壤中存在大量具有產 電功能的微生物，廣泛分布于變形菌門、厚壁菌門等，通過分解土壤有機質產電。當土壤微 生物受到不利因素如污染的脅迫時，土壤產電菌的產電能力會降低。
[0004] 現(xiàn)有的生物學指標來指示污染土壤微生物活性的檢測技術存在成本高、操作繁瑣 等問題，尤其是不能實現(xiàn)連續(xù)實時檢測。而且，現(xiàn)有的采用土壤直接產電指示土壤污染的方 法需要用較大的微生物燃料電池進行土壤裝填。目前并未出現(xiàn)土壤懸液作為雙室微生物燃 料電池陽極體系并利用其產電信號指示污染土壤微生物活性的方法。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種指示污染土壤微生物活性的新方法。本發(fā)明克服現(xiàn)有 技術中存在的不足和缺陷，具有運行成本較低、操作簡單和檢測效率高的優(yōu)勢，而且可以實 現(xiàn)對土壤微生物活性的連續(xù)實時檢測。
[0006] 本發(fā)明采用的技術方案如下： 小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活性的方法，檢測對象為污染土壤 提取的懸液；采用集成式微生物燃料電池，其由若干個雙室微生物燃料電池固定在集成板 上形成；具體操作包括如下步驟： ① 制備污染土壤懸液樣品：用蒸餾水或去離子水稀釋污染土壤，振蕩后靜置或震蕩后 離心，吸取上層土壤懸液；向土壤懸液中添加并溶解葡萄糖或乙酸鈉，葡萄糖和乙酸鈉所用 的質量不超過土壤懸液體積的2%，也可將葡萄糖與乙酸鈉在上述范圍內混合加入并溶解于 土壤懸液中；將土壤懸液加入雙室微生物燃料電池的陽極室內； ② 配制鐵氰化鉀的磷酸緩沖鹽溶液：鐵氰化鉀濃度范圍從50mM至200mM，磷酸鹽緩沖 液的pH調至7,濃度從50mM至200mM，然后將鐵氰化鉀的磷酸緩沖鹽溶液灌滿至雙室微生 物燃料電池的陰極室； ③ 運行集成式微生物燃料電池：將每個雙室微生物燃料電池中的陽極和陰極通過導 線與負載串聯(lián)，負載阻值范圍在10 Ω至1000 Ω之間，采用數(shù)據(jù)采集器或萬用表實時連續(xù) 記錄負載兩端的電壓或電流，72小時后停止記錄；將電壓數(shù)據(jù)根據(jù)公式（1)和（2)換算成電 量，或將電流數(shù)據(jù)根據(jù)公式（2)換算成電量： I (電流，A)=U(電壓，V) / R (外阻，Ω) (1) Q (電量，C) = I (電流，A) X t (時間，s) (2) ④ 采用微生物燃料電池運行期間產生的電量作為檢測土壤微生物活性的指標，電量 電池運行期間的產電電量越低表明土壤污染毒性越大，土壤微生物活性越低。
[0007] 所述污染土壤為所有的土壤類型，其污染物包括重金屬污染、有機物污染或者酸 堿污染。
[0008] 所述雙室微生物燃料電池包括陽極、陰極、陽極室、陰極室、陽極室外裙邊、陽極室 內裙邊、陰極室外裙邊、陽極室內裙邊、導線口、進水□、出水口、隔膜、膠墊、導線、負載、螺 栓和螺帽；陽極和陰極材料分別填滿陽極室和陰極室；所述膠墊和隔膜設置在陽極室和陰 極室之間。
[0009] 所述陽極或陰極的材料為碳氈、碳布、碳刷、活性炭顆粒、石墨顆粒、不銹鋼網(wǎng)或鈦 網(wǎng)。
[0010] 所述雙室微生物燃料電池的陽極室和陰極室工作體積均小于30 cm3。
[0011] 所述隔膜為質子交換膜、陽離子交換膜、超濾膜、微濾膜、全氟磺酸樹脂膜、玻璃纖 維膜或聚碳酸酯膜。
[0012] 所述集成板上設有用于固定雙室微生物燃料電池的槽口，微生物燃料電池的陽極 室外裙邊、陽極室內裙邊以及陰極室外裙邊和陰極室內裙邊插入槽口內。
[0013] 所述集成板上標記有編號，編號對應不同位置的雙室微生物燃料電池，使得不同 的污染土壤懸液與其產電數(shù)據(jù)實現(xiàn)一一對應。 本發(fā)明的原理：土壤中存在大量具有產電功能的微生物，廣泛分布于變形菌門、厚壁菌 門等，通過分解土壤有機質產電。當土壤微生物受到不利因素如污染的脅迫時，土壤產電菌 的產電能力會降低，這種降低的趨勢與傳統(tǒng)的微生物活性指標，如土壤脫氫酶、土壤呼吸等 的變化趨勢極其相似。因此可以對土壤微生物的產電能力進行量化，并使其成為指示污染 土壤中微生物活性的新指標。
[0014] 本發(fā)明利用懸液中的土壤微生物分解有機質產生的電量作為指示土壤微生物活 性的指標，和傳統(tǒng)土壤生物學指標相比，本發(fā)明具有成本低、操作簡單和檢測周期短的優(yōu) 勢。另外，現(xiàn)有的采用土壤產電的方法需要用較大的微生物燃料電池進行土壤裝填，而本發(fā) 明提取污染土壤的懸液可在小型化微生物燃料電池中進行產電。同時為了提高小體積懸液 的產電，本發(fā)明采用多孔或網(wǎng)狀或顆粒狀電極材料并充滿陽極室和陰極室，從而最大限度 的增加電極面積，還將少量葡萄糖或乙酸鈉溶解在污染土壤制備的懸液中，通過增加碳源 來提高產電。本發(fā)明將若干小型化微生物燃料電池集成產電，可實現(xiàn)對較多污染樣品的檢 測。因此，本發(fā)明優(yōu)勢特色在于：①以土壤懸液作為陽極體系，對污染響應的靈敏度與分辨 率高；②小型化和集成化大大降低了檢測成本并提高了檢測效率；③檢測結果直觀，根 據(jù)記錄的電壓曲線即可做出初步判斷。
[0015]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1 (a)本發(fā)明所用的雙室微生物燃料電池結構示意圖，其中，1-陽極室外裙邊， 2-陽極室，3-陽極，4-陽極室內裙邊，5-螺孔，6-隔膜，7-膠墊，8-陰極室內裙邊，9-陰 極室，10-陰極，11-陰極室外裙邊，12-陰極室頂蓋，13-導線，14-負載，15-陽極室頂蓋， 16-螺帽，17-螺栓；(b)集成板結構示意圖，其中，18-槽口。
[0017] 圖2從含銅濃度0 (對照)、20、40、60、80、100和120 11^1^^1的土壤中提取的土壤 懸液在微生物燃料電池中運行72小時產生的總電量。土壤懸液添加0. 5%乙酸鈉(質量體 積比)。
[0018] 圖3含銅濃度0 (對照)、20、40、60、80、100和120 11^1^_1的土壤中土壤脫氫酶活 性。
[0019] 圖4微生物燃料電池產電電量與土壤脫氫酶活性的相關性分析示意圖。相關性系 數(shù)R = 0.97,顯著性P〈 0.001，達到極顯著水平。
[0020]

【具體實施方式】
[0021] 本發(fā)明提供了小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活性的方法，下 面結合附圖和實施例加以說明。
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明的微生物燃料電池包括陽極室外裙邊1，陽極室2,陽極3,陽極 室內裙邊4,螺孔5,隔膜6,膠墊7,陰極室內裙邊8,陰極室9,陰極10,陰極室外裙邊11，陰 極室頂蓋12,導線13,負載14,陽極室頂蓋15,螺帽16,螺栓17。陽極3和陰極10分別填 滿陽極室2和陰極室9 ;陽極3和陰極10通過導線13連接，并且通過導線13串聯(lián)負載14 ; 膠墊7和隔膜6設置在陽極室2和陰極室9之間。螺帽16和螺栓17用于將陽極室裙邊、 膠墊7、隔膜6以及陰極室裙邊固定在一起。將陽極室外裙邊1、內裙邊4以及陰極室外裙 邊11和內裙邊8插入集成板上相應的槽口 18。
[0023] 實施例： 采用雙室微生物燃料電池，每室內壁規(guī)格為邊長3 cm的立方體，壁厚0.5 cm，有效容 積27 mL。兩室之間以陽離子交換膜隔開。以碳氈為電極，陰極碳氈和陽極碳氈規(guī)格都為 邊長3 cm的立方體，電極距離3 cm，電極之間連接1000 Ω外阻。土壤為長江中下游林地 土壤，為典型黃棕壤。將土壤分成7份，分別添加不同銅濃度的氯化銅溶液并與土壤充分混 勻，使土壤中銅濃度達到〇(對照)、20、40、60、80、100和120 11^/1^。土壤老化1天后，從每 份土壤中取出2g土壤(干土重)用于檢測土壤脫氫酶活性，剩余土壤用于運行微生物燃料電 池，方法如下：每個銅濃度下取10 g 土壤(干土重）分別置于錐形瓶中，加入100 ml去離子 水，200r/min振蕩1 h，靜置30 min后吸取上層土壤懸液，分別與乙酸鈉混勻，乙酸鈉質量 與土壤懸液體積比為0. 5%。將土壤懸液加入到微生物燃料電池的陽極室中，至陽極碳氈水 飽和。陰極室中灌入含50 mM鐵氰化鉀的50 mM、pH7磷酸緩沖液，至陰極碳氈水飽和。運 行微生物燃料電池檢測產電。陽極與陰極間連接1000 Ω外阻。微生物燃料電池連接好之 后，全部固定在集成板上，對應集成板上編號A1-A7,并采用數(shù)據(jù)采集器每隔10 min記錄一 次外阻兩端電壓，共記錄72小時（圖2)。根據(jù)公式電流（A)=電壓（V)/阻值（Ω)，算出產 生的電流，再根據(jù)公式電量（C)=電流（A) X時間（s)，算出運行72小時微生物燃料電池產 生的總電量。結果表明，隨著銅濃度增加，以污染土壤懸液運行微生物燃料電池產電電量與 脫氫酶活性的下降趨勢一致（圖2、3、4)，表明以小型化集成式微生物燃料電池指示污染土 壤微生物活性方法是可靠的。
【權利要求】
1. 小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活性的方法，其特征在于，檢測 對象為污染土壤提取的懸液；采用集成式微生物燃料電池，其由若干個雙室微生物燃料電 池固定在集成板上形成；具體操作包括如下步驟： ① 制備污染土壤懸液樣品：用蒸餾水或去離子水稀釋污染土壤，振蕩后靜置或震蕩后 離心，吸取上層土壤懸液；向土壤懸液中添加并溶解葡萄糖或乙酸鈉，葡萄糖和乙酸鈉所用 的質量不超過土壤懸液體積的2%，也可將葡萄糖與乙酸鈉在上述范圍內混合加入并溶解于 土壤懸液中；將土壤懸液加入雙室微生物燃料電池的陽極室內； ② 配制鐵氰化鉀的磷酸緩沖鹽溶液：鐵氰化鉀濃度范圍從50mM至200mM，磷酸鹽緩沖 液的pH調至7,濃度從50mM至200mM，然后將鐵氰化鉀的磷酸緩沖鹽溶液灌滿至雙室微生 物燃料電池的陰極室； ③ 運行集成式微生物燃料電池：將每個雙室微生物燃料電池中的陽極和陰極通過導 線與負載串聯(lián)，負載阻值范圍在10 Ω至1000 Ω之間，采用數(shù)據(jù)采集器或萬用表實時連續(xù) 記錄負載兩端的電壓或電流，72小時后停止記錄；將電壓數(shù)據(jù)根據(jù)公式（1)和（2)換算成電 量，或將電流數(shù)據(jù)根據(jù)公式（2)換算成電量： I (電流，A)=U(電壓，V) / R (外阻，Ω) (1) Q (電量，C) = I (電流，A) X t (時間，s) (2) ④ 采用微生物燃料電池運行期間產生的電量作為檢測土壤微生物活性的指標，電量 電池運行期間的產電電量越低表明土壤微生物活性越低。
2. 根據(jù)權利要求1所述的小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活性的 方法，其特征在于，所述污染土壤為所有的土壤類型，其污染物包括重金屬污染、有機物污 染或者酸堿污染。
3. 根據(jù)權利要求1所述的小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活性的 方法，其特征在于，所述雙室微生物燃料電池包括陽極、陰極、陽極室、陰極室、陽極室外裙 邊、陽極室內裙邊、陰極室外裙邊、陽極室內裙邊、導線口、進水口、出水口、隔膜、膠墊、導 線、負載、螺栓和螺帽；所述陽極和陰極材料分別填滿陽極室和陰極室；所述膠墊和隔膜設 置在陽極室和陰極室之間。
4. 根據(jù)權利要求1、2或3所述的小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活 性的方法，其特征在于，所述陽極或陰極材料為碳氈、碳布、碳刷、活性炭顆粒、石墨顆粒、不 銹鋼網(wǎng)或鈦網(wǎng)。
5. 根據(jù)權利要求1、2或3所述的小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物 活性的方法，其特征在于，所述雙室微生物燃料電池的陽極室和陰極室工作體積均小于30 cm3。
6. 根據(jù)權利要求3所述的小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活性的 方法，其特征在于，所述隔膜為質子交換膜、陽離子交換膜、超濾膜、微濾膜、全氟磺酸樹脂 膜、玻璃纖維膜或聚碳酸酯膜。
7. 根據(jù)權利要求3所述的小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活性的 方法，其特征在于，所述集成板上設有用于固定雙室微生物燃料電池的槽口，微生物燃料電 池的陽極室外裙邊、陽極室內裙邊以及陰極室外裙邊和陰極室內裙邊插入槽口內。
8. 根據(jù)權利要求1所述的小型化集成式微生物燃料電池指示污染土壤微生物活性的 方法，其特征在于，所述集成板上標記有編號，編號對應不同位置的雙室微生物燃料電池， 使得不同的污染土壤懸液與其產電數(shù)據(jù)實現(xiàn)一一對應。
【文檔編號】G01N27/403GK104142362SQ201410361646
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權日:2014年7月25日
【發(fā)明者】鐘文輝, 姜允斌, 鄧歡 申請人:南京師范大學