雙室微生物燃料電池電信號檢測土壤污染毒性的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙室微生物燃料電池電信號檢測土壤污染毒性的方法，屬于土壤污染檢測【技術領域】。本發(fā)明利用土壤微生物分解有機質產生的電量作為檢測土壤污染毒性的指標，和通過微生物活性、生物量等檢測毒性的傳統(tǒng)方法相比，具有成本低、操作簡單和檢測周期短的優(yōu)勢。方法所用的雙室微生物燃料電池包括陽極、陰極、陽極固定槽、陰極固定槽、陽極室、陰極室、陽極室頂蓋、陰極室頂蓋、隔膜、膠墊、導線、負載和螺栓螺帽。運行前將污染土壤與葡萄糖混合并裝入陽極室，陰極室通入鐵氰化鉀溶液作為電子受體，運行48小時后算出48小時產電電量，用于評價污染物毒性。本發(fā)明具有較高的科學價值和應用價值。
【專利說明】雙室微生物燃料電池電信號檢測土壤污染毒性的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于一種土壤污染毒性檢測技術；具體涉及一種雙室土壤微生物燃料電池的電信號檢測土壤污染毒性的方法。
【背景技術】
[0002]隨著工業(yè)發(fā)展，大量有毒物質進入到環(huán)境中，主要包括重金屬和有機污染物等。許多污染物進入到土壤中，破壞土壤健康，降低土壤微生物活性，引起土壤退化。因此土壤污染毒性檢測顯得非常重要，通常通過檢測土壤微生物活性來反映污染物毒性以及污染程度。普遍采用的檢測土壤微生物活性的方法包括脫氫酶活性檢測、碳源利用圖譜法、土壤微量熱法。
[0003]從檢測成本來看，脫氫酶活性檢測、碳源利用圖譜法和土壤微量熱法的成本較高。脫氫酶檢測需要用到昂貴的氯代三苯基四氮唑(TTC)和三苯基甲臢(TPF)，另外還需要酶標儀或者分光光度計等設備。碳源利用圖譜法需要昂貴的BIOLOG板和BIOLOG儀以及電腦；土壤微量熱檢測需要昂貴的微量熱儀。從檢測過程所需時間來看，除了脫氫酶活性檢測可以在24小時內完成之外，碳源利用圖譜法和土壤微量熱法需要連續(xù)檢測若干天。
[0004]微生物燃料電池是將微生物代謝能轉化成電能的裝置。微生物燃料電池產生的電信號強弱也可用于指示微生物代謝活性的強弱。目前微生物燃料電池已被開發(fā)用于工業(yè)廢水的毒性檢測。常用的方法是在陽極室中充入液體培養(yǎng)基并預先培養(yǎng)好產電細菌，使得產電電壓或者電流達到穩(wěn)定。之后再將待檢測水加入陽極室中，根據電流或電壓降低的幅度來判斷廢水毒性強弱。但是該檢測方法存在缺陷，培養(yǎng)基和產電細菌純菌的使用增加了成本，培養(yǎng)產電細菌至產電穩(wěn)定需要較長時間，而且培養(yǎng)基的處理也容易引起污染。
[0005]綜上，現(xiàn)有的土壤微生物活性檢測技術存在成本高的問題，而且現(xiàn)有的采用微生物燃料電池的產電信號反映水質污染狀況的方法也存在成本高、檢測周期長和易引起污染的問題。

【發(fā)明內容】

[0006]針對現(xiàn)有技術中存在的不足和缺陷，包括土壤微生物活性檢測技術中存在的成本高的問題，以及微生物燃料電池的電壓或電流信號在反映水質污染狀況的方法中存在的成本高、檢測周期長以及易引起污染的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種檢測土壤中污染物毒性的新方法。該方法不需要培養(yǎng)基作為陽極產電體系，而是以污染土壤混合少量葡萄糖后，利用土壤微生物進行產電。其運行成本低，操作簡單，運行48小時內的產電電量即可用來反映污染物對于土壤微生物的毒性強弱。
[0007]本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0008]雙室微生物燃料電池電信號檢測土壤污染毒性的方法，包括如下步驟:
[0009]步驟一，首先將污染土壤與葡萄糖混合，葡萄糖用量范圍在土壤干重的3%_5%之間；再將混有葡萄糖的污染土壤加入到雙室土壤微生物燃料電池的陽極室內，土壤應占據2/3及以上的陽極室體積；然后向陽極室中加入蒸餾水、去離子水或自來水使土壤含水量達到最大持水量或處于淹水狀態(tài)；
[0010]步驟二，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入陰極室，占據陰極室2/3以上的體積；
[0011]步驟三，將陽極和陰極通過導線與負載串聯(lián)，負載阻值范圍在100Ω至1000Ω之間，檢測和記錄負載兩端的電壓或電流，根據公式:
[0012]1(電流，A)=U(電壓，V)/R(外阻，Ω) (I)
[0013]將電壓換算成電流，再根據公式:
[0014]Q(電量，C)=I(電流，A)Xt(時間，s) (2)
[0015]算出48小時產電電量，用于評價污染物毒性。
[0016]所用的雙室土壤微生物燃料電池包括陽極、陰極、陽極固定槽、陰極固定槽、陽極室、陰極室、陽極室頂蓋、陰極室頂蓋、隔膜、膠墊、導線、負載和螺栓螺帽，陽極設置在陽極室內底部的陽極固定槽里，陰極設置在陰極室內底部的陰極固定槽里；陽極和陰極通過導線連接，并且導線串聯(lián)負載；膠墊和隔膜設置在陽極室和陰極室之間。
[0017]所述污染土壤中的土壤為所有的土壤類型，其污染物包含重金屬污染、有機物污染或者酸堿污染。
[0018]所述陽極或陰極的材料為碳氈、碳布、碳紙、碳刷、活性炭顆粒、石墨板、石墨顆粒、不銹鋼板、不銹鋼網、鈦板或鈦網。
[0019]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。
[0020]進一步地，所述陰極室頂蓋和陽極室頂蓋均為可拆裝，便于向陽極室填充和移除受污染的土壤，以及向陰極室充入或倒出受體溶液，并且陰極室頂蓋和陽極室頂蓋上均開有小孔，用于導線穿過。
[0021]本發(fā)明的原理如下:
[0022]土壤中的微生物利用土壤有機質和葡萄糖產電。葡萄糖的加入提高了微生物產電活性，縮短了啟動時間，從而能在較短時間內獲得產電信號。土壤受到污染之后，微生物總體活性降低，分解有機質產電的能力也受到抑制，因此產生的電流也隨著污染物毒性的增加而減小。表現(xiàn)為在運行時間內，污染土壤產生的電量低于不污染土壤，污染程度越高，毒性越大，電量越低。
[0023]本發(fā)明利用土壤微生物分解有機質產生的電量作為檢測土壤污染毒性的指標，和通過微生物活性、生物量等檢測毒性的傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明具有成本低、操作簡單和檢測周期短的優(yōu)勢。所用的微生物燃料電池不需要培養(yǎng)基作為陽極產電體系，而是以污染土壤混合少量葡萄糖后進行產電，運行48小時內的產電電量即可用來反映污染物對于土壤微生物活性的毒性強弱，且產電電量與傳統(tǒng)脫氫酶活性的變化趨勢一致，因此本發(fā)明具有運行成本低，操作簡單，快速獲得結果以及結論較為可靠的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1本發(fā)明所用的微生物燃料電池結構示意圖，其中，1-陽極室頂蓋，2-陽極室，3-陽極,4-陽極固定槽,5-陰極室頂蓋,6-陰極室,7-陰極,8-陰極固定槽,9-導線，10-負載，11-螺孔，12-膠墊，13-隔膜。
[0025]圖2檢測不同濃度Cr (VI)污染土壤毒性時，微生物燃料電池電流隨時間的變化曲線。
[0026]圖3 Ca)檢測不同濃度Cr(VI)污染土壤毒性時，微生物燃料電池在48小時內產生的電量；(b)不同濃度Cr(VI)污染條件下土壤脫氫酶活性。
【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明提供了一種利用雙室微生物燃料電池產電信號檢測土壤污染毒性的方法，以下結合附圖對【具體實施方式】加以說明。
[0028]【具體實施方式】:采用雙室結構MFC，每室內壁規(guī)格為6cmX6cmX6cm，壁厚0.5cm，有效容積216mL。兩室之間以質子交換膜隔開。以碳氈為電極，陰極碳氈和陽極碳氈規(guī)格都為4cmX4cmX0.5cm(長X寬X厚)，電極距離6cm,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5份，分別添加不同Cr(VI)濃度的K2Cr2O7溶液并與土壤充分混勻，使土壤中Cr(VI)濃度達到O (不加Cr(VI)對照)、50、100、200和^Omgkg' 土壤老化I天后分別采用MFC檢測產電以及采用傳統(tǒng)方法檢測脫氫酶活性。采用MFC的檢測方法如下:將5份Cr(VI)濃度不同的土壤(每份干重120g)分別與葡萄糖混勻，葡萄糖占土壤比重為3%。將混合后的土壤加入到5個MFC反應器的陽極室中。并向陽極室中加入蒸餾水，使得水土比達到1:1。陰極室中灌入200mL、50mM鐵氰化鉀的50mM、pH7磷酸緩沖液。采用數(shù)據采集器記錄每隔IOmin記錄一次1000 Ω外阻兩端電壓，共記錄48小時。并根據公式電流=電壓/阻值，算出產生的電流，繪制電流隨時間變化曲線(圖2)。根據公式電量(C)=電流(A) X時間(S)，算出運行48小時MFC產生的總電量(圖3a)，同時測出土壤的脫氫酶活性(圖3b)， 與電量變化進行對比。結果表明，隨著土壤Cr(VI)濃度的增加，傳統(tǒng)脫氫酶活性指標與電量所反映的趨勢完全一致。
【權利要求】
1.雙室微生物燃料電池電信號檢測土壤污染毒性的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一，首先將污染土壤與葡萄糖混合，葡萄糖用量范圍在土壤干重的3%-5%之間；再將混有葡萄糖的污染土壤加入到雙室土壤微生物燃料電池的陽極室內，土壤應占據2/3及以上的陽極室體積；然后向陽極室中加入蒸餾水、去離子水或自來水使土壤含水量達到最大持水量或處于淹水狀態(tài)； 步驟二，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入陰極室，占據陰極室2/3以上的體積； 步驟三，將陽極和陰極通過導線與負載串聯(lián)，負載阻值范圍在100Ω至1000Ω之間，檢測和記錄負載兩端的電壓或電流，48小時后停止記錄，根據公式: 1(電流，A)=U(電壓，V)/R(外阻，Ω) (I) 將電壓換算成電流，再根據公式: Q(電量，C)=I(電流，A)Xt(時間，s) (2) 算出48小時產電電量，用于評價污染物毒性。
2.根據權利要求1所述的雙室微生物燃料電池電信號檢測土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述雙室土壤微生物燃料電池包括陽極、陰極、陽極固定槽、陰極固定槽、陽極室、陰極室、陽極室頂蓋、陰極室頂蓋、隔膜、膠墊、導線、負載和螺栓螺帽，陽極設置在陽極室內底部的陽極固定槽里，陰極設置在陰極室內底部的陰極固定槽里；所述陽極和陰極通過導線連接，并且導線串聯(lián)負載；所述膠墊和隔膜設置在陽極室和陰極室之間。
3.根據權利要求1或2所述的雙室微生物燃料電池電信號檢測土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述污染土壤中的土壤為所有的土壤類型，其污染物包含重金屬污染、有機物污染或者酸堿污染。
4.根據權利要求2所述的雙室微生物燃料電池電信號檢測土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述陽極或陰極的材料為碳氈、碳布、碳紙、碳刷、活性炭顆粒、石墨板、石墨顆粒、不銹鋼板、不銹鋼網、鈦板或鈦網。
5.根據權利要求2或4所述的雙室微生物燃料電池電信號檢測土壤污染毒性的方法，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。
6.根據權利要求2或4所述的雙室微生物燃料電池電信號檢測土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述陰極室頂蓋和陽極室頂蓋均為可拆裝，并且陰極室頂蓋和陽極室頂蓋上均開有小孔，用于導線穿過。
【文檔編號】G01N27/403GK103645231SQ201310629437
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權日:2013年11月28日
【發(fā)明者】鄧歡, 姜允斌, 鐘文輝 申請人:南京師范大學