利用單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用單室微生物燃料電池產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法，采用污染土壤或提取污染土壤的懸液，充入單室微生物燃料電池。單室微生物燃料電池運(yùn)行期間產(chǎn)生的總電量、電壓或電流峰值以及到達(dá)峰值的時(shí)間與土壤污染毒性有很好的相關(guān)關(guān)系，可以作為檢測(cè)土壤污染毒性的指標(biāo)。所用的單室微生物燃料電池包括陽極、陰極、導(dǎo)線和負(fù)載，陽極鋪在單室微生物燃料電池底部，陰極浸沒在淹水土壤水層或土壤懸液的液面以下。土壤或土壤懸液中的微生物分解人工添加的葡萄糖或乙酸鈉進(jìn)行產(chǎn)電，并以水中的溶解氧為電子受體。本發(fā)明的方法操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)成本低、檢測(cè)過程不產(chǎn)生污染，以及對(duì)土壤污染響應(yīng)靈敏。
【專利說明】利用單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種土壤污染毒性檢測(cè)技術(shù)；具體涉及一種利用單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]采礦、冶煉、電鍍、化工等工業(yè)產(chǎn)生以及污灌、農(nóng)藥化肥的不合理施用等農(nóng)業(yè)措施造成土壤污染。當(dāng)前普遍采用生物學(xué)指標(biāo)檢測(cè)土壤污染毒性，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(biāo)。這些指標(biāo)的檢測(cè)需要經(jīng)過多個(gè)實(shí)驗(yàn)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BIOLOG儀和微量熱儀等價(jià)格昂貴的設(shè)備以及價(jià)格不菲的耗材。但是上述方法都不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0003]微生物燃料電池是一類通過產(chǎn)電微生物的催化作用，把有機(jī)質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。由于所產(chǎn)生的電流強(qiáng)度與產(chǎn)電微生物的代謝活性密切相關(guān)，微生物燃料電池可作為生物傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),例如監(jiān)測(cè)廢水中的B0D、毒性物質(zhì)如重金屬和酸污染。但上述微生物燃料電池需要采用培養(yǎng)基進(jìn)行產(chǎn)電菌的接種、富集和馴化，且多為雙室構(gòu)型，因此存在缺陷，如:培養(yǎng)基和產(chǎn)電細(xì)菌純菌的使用增加了成本，培養(yǎng)產(chǎn)電細(xì)菌至產(chǎn)電穩(wěn)定需要較長(zhǎng)時(shí)間，而且培養(yǎng)基的處理易引起污染。另外，雙室構(gòu)型的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，包括需要價(jià)格不菲的離子交換膜，且陰極液體(如常用的鐵氰化鉀溶液)處置不當(dāng)易引起污染。
[0004]土壤含有產(chǎn)電所需的必備條件——產(chǎn)電微生物與有機(jī)質(zhì)，因此土壤產(chǎn)電無需外加培養(yǎng)基和產(chǎn)電細(xì)菌。另外，采用單室構(gòu)型比雙室構(gòu)型具有的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在:1)單室構(gòu)型結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，操作更簡(jiǎn)便；2)單室構(gòu)型中，土壤或者土壤懸液中含有大量微生物，能夠有效消耗陽極附近的氧氣，從而維持陽極與陰極之間的電勢(shì)差。因此，單室構(gòu)型省去了雙室構(gòu)型中用于維持電勢(shì)差但價(jià)格昂貴的離子交換膜；3)單室構(gòu)型的微生物燃料電池以水中的溶解氧作為電子受體，避免使用雙室構(gòu)型中常用的易引起污染的陰極液體(如鐵氰化鉀溶液)，因此單室構(gòu)型更加環(huán)境友好。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種檢測(cè)土壤污染毒性的新方法。直接采用污染土壤或從污染土壤中提取的土壤懸液用于檢測(cè)。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
利用單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法，其檢測(cè)對(duì)象為污染土壤或者提取的污染土壤懸液，所采用的單室微生物燃料電池包括陽極、陰極、導(dǎo)線和負(fù)載；具體包括如下步驟:
步驟一、將污染土壤或污染土壤懸液與葡萄糖或乙酸鈉混合，葡萄糖或乙酸鈉的質(zhì)量不超過土壤質(zhì)量的2% (質(zhì)量比，w/w)或不超過土壤懸液體積的2% (質(zhì)量體積比，w/v)；步驟二、將步驟一得到的污染土壤或者污染土壤懸液加入單室微生物燃料電池，其中，污染土壤加入單室微生物燃料電池后，需要再加入蒸餾水或去離子水保持淹水狀態(tài)；
步驟三、將單室微生物燃料電池的陽極和陰極通過導(dǎo)線與負(fù)載串聯(lián)，運(yùn)行單室微生物燃料電池并采用數(shù)據(jù)采集器或萬用表實(shí)時(shí)連續(xù)記錄負(fù)載兩端的電壓或電流，36小時(shí)后停止記錄；
步驟四、將記錄的電壓數(shù)據(jù)根據(jù)公式(I)和(2)換算成電量，或?qū)㈦娏鲾?shù)據(jù)根據(jù)公式
(2)換算成電量:1 (電流，A)=U(電壓，V) /R (負(fù)載，Ω)(I)
Q (電量，C) = I (電流，A) X t (時(shí)間，s)(2)
步驟五、根據(jù)單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)判斷土壤污染毒性:單室微生物燃料電池運(yùn)行期間的產(chǎn)電電量越低，或產(chǎn)電電壓或電流的峰值越低，或達(dá)到峰值的時(shí)間越晚，表明土壤污染毒性越大。
[0007]所述陽極放置在單室微生物燃料電池底部，陰極浸沒在淹水土壤水層或土壤懸液的液面以下。
[0008]所述污染土壤懸液的提取方法為:向污染土壤中加入蒸餾水或去離子水，振蕩后靜置或者震蕩后離心，獲取上層土壤懸液。
[0009]所述陽極材料為碳?xì)帧⑻疾?、碳紙、碳刷、活性炭顆粒、石墨板、石墨顆粒、不銹鋼板、不銹鋼網(wǎng)、鈦板或鈦網(wǎng)。陰極材料為在上述陽極材料基礎(chǔ)上摻入或鍍上能夠催化氧氣還原的催化劑，包括鉬、酞菁類化合物或金屬卟啉類化合物。
[0010]所述污染土壤中的土壤為所有的土壤類型，其污染物包括重金屬污染或有機(jī)污染物污染或者酸堿污染。
[0011]本發(fā)明的原理如下:
土壤微生物能夠通過分解土壤有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生電子，電子從陽極通過導(dǎo)線到達(dá)陰極，以水中溶解氧作為電子受體，從而產(chǎn)生電流。單室微生物燃料電池底部的土壤或者土壤懸液中含有大量微生物，能夠有效消耗陽極附近的氧氣，保持陽極與陰極之間的電勢(shì)差。因此，與雙室微生物燃料電池相比，單室微生物燃料電池省去了維持電勢(shì)差但價(jià)格昂貴的離子交換膜。加入易利用的小分子碳源葡萄糖或乙酸鈉能夠刺激微生物的代謝，縮短電池的啟動(dòng)時(shí)間，從而能在短時(shí)間內(nèi)獲得產(chǎn)電信號(hào)。土壤受到污染之后，微生物代謝活性降低，產(chǎn)電微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)電的能力也受到抑制，表現(xiàn)為污染程度越高，毒性越大，產(chǎn)電量越低、電流和電壓峰值越低，達(dá)到峰值所用時(shí)間越長(zhǎng)。
[0012]本發(fā)明利用污染土壤或者污染土壤懸液中的微生物在單室微生物燃料電池運(yùn)行期間產(chǎn)生的電信號(hào)(包括產(chǎn)電電量，或產(chǎn)電電壓或電流的峰值，或達(dá)到峰值的時(shí)間)作為檢測(cè)土壤污染毒性的指標(biāo)。和傳統(tǒng)土壤生物學(xué)指標(biāo)相比，本發(fā)明優(yōu)勢(shì)特色在于檢測(cè)成本低、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)過程無污染以及對(duì)污染響應(yīng)靈敏。與雙室構(gòu)型的微生物燃料電池相比，本發(fā)明采用單室構(gòu)型的微生物燃料電池，不需要價(jià)格昂貴的離子交換膜，也不需要易引起污染的陰極液體(如常用的鐵氰化鉀溶液)，而是以水中溶解氧作為電子受體，裝置結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，操作過程更加環(huán)境友好。
[0013]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1本發(fā)明所用的單室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1-陽極，2-陰極，3-導(dǎo)線，4-負(fù)載。
[0015]圖2含銅濃度O (對(duì)照)、50、100、200和400 mg/kg的土壤在單室微生物燃料電池中運(yùn)行36小時(shí)產(chǎn)生的總電量。土壤中混合2% (w/w)葡萄糖。
[0016]圖3從含銅濃度O (對(duì)照)、50、100、200和400 mg/kg的土壤中提取的土壤懸液在單室微生物燃料電池中運(yùn)行36小時(shí)產(chǎn)生的總電量。土壤懸液中溶解0.2% (w/v)乙酸鈉。
[0017]

【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明提供了一種采用單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法，以下結(jié)合附圖1對(duì)【具體實(shí)施方式】加以說明。
[0019]實(shí)施例1
采用單室結(jié)構(gòu)微生物燃料電池，內(nèi)壁規(guī)格為直徑3.3 cm高6 cm的圓柱體，有效容積50ml。以碳?xì)譃殛枠O，鍍鉬碳紙為陰極。陽極規(guī)格為直徑3 cm，厚度0.5 cm;陰極規(guī)格為直徑3 cm,厚度0.1 cm。電極距離5 cm,電極之間連接1000 Ω負(fù)載。土壤采自長(zhǎng)江中下游林地，為典型黃棕壤。將土壤分成5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(dá)到O (對(duì)照)、50、100、200、和400 mg/kg。土壤老化I天后用于檢測(cè)。采用單室結(jié)構(gòu)微生物燃料電池的檢測(cè)方法如下:將陽極平放于微生物燃料電池底部，每個(gè)銅濃度處理取30 g 土壤，與0.4 g葡萄糖混勻后倒入單室微生物燃料電池中，加入20 ml蒸餾水并保持淹水。陽極與陰極間連接1000 Ω負(fù)載，并采用數(shù)據(jù)采集器每隔1min記錄一次負(fù)載兩端電壓，共記錄36小時(shí)(圖2)。并根據(jù)公式電流(A)=電壓(V)/阻值(Ω)，算出產(chǎn)生的電流，再根據(jù)公式電量(C)=電流(A) X時(shí)間(S)，算出運(yùn)行36小時(shí)MFC產(chǎn)生的總電量。結(jié)果表明，隨著銅濃度增加，土壤在單室微生物燃料電池中的產(chǎn)電量不斷降低(圖2)。
[0020]實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1的主要區(qū)別在于，本實(shí)施例采用污染土壤懸液而非污染土壤進(jìn)行產(chǎn)電。本實(shí)施例采用與實(shí)施例1相同的微生物燃料電池構(gòu)型、土壤類型和污染處理，區(qū)別在于本實(shí)施例中陽極碳?xì)趾穸葹? Cm。污染土壤懸液的獲取和產(chǎn)電方式為:土壤加入銅溶液并老化I天后，每個(gè)銅濃度取20 g 土壤，加入200 ml去離子水，200r/min振蕩I h，靜置30min后吸取50 ml上層土壤懸液，加入0.1 g乙酸鈉溶解，再將土壤懸液加入到單室微生物燃料電池。加入土壤懸液之前預(yù)先在單室微生物燃料電池底部放置陽極。陽極與陰極間連接1000 Ω負(fù)載，采用數(shù)據(jù)采集器每隔10 min記錄一次負(fù)載兩端電壓，共記錄36小時(shí)。根據(jù)公式電流(A)=電壓(V)/阻值(Ω )，算出產(chǎn)生的電流，再根據(jù)公式電量(C)=電流(A) X時(shí)間(s)，算出運(yùn)行36小時(shí)單室微生物燃料電池產(chǎn)生的總電量。結(jié)果表明，隨著銅濃度增加，土壤懸液在單室微生物燃料電池中的產(chǎn)電量不斷降低(圖3 )。
【權(quán)利要求】
1.利用單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法，其特征在于，其檢測(cè)對(duì)象為污染土壤或者提取的污染土壤懸液，所采用的單室微生物燃料電池包括陽極、陰極、導(dǎo)線和負(fù)載；具體包括如下步驟: 步驟一、將污染土壤或污染土壤懸液與葡萄糖或乙酸鈉混合，葡萄糖或乙酸鈉的質(zhì)量不超過土壤質(zhì)量的2%或不超過土壤懸液體積的2% ； 步驟二、將步驟一得到的污染土壤或者污染土壤懸液加入單室微生物燃料電池，其中，污染土壤加入單室微生物燃料電池后，需要再加入蒸餾水或去離子水保持淹水狀態(tài)； 步驟三、將單室微生物燃料電池的陽極和陰極通過導(dǎo)線與負(fù)載串聯(lián)，運(yùn)行單室微生物燃料電池并采用數(shù)據(jù)采集器或萬用表實(shí)時(shí)連續(xù)記錄負(fù)載兩端的電壓或電流，36小時(shí)后停止記錄； 步驟四、將記錄的電壓數(shù)據(jù)根據(jù)公式(I)和(2)換算成電量，或?qū)㈦娏鲾?shù)據(jù)根據(jù)公式(2)換算成電量:1 (電流，A)=U(電壓，V) /R (負(fù)載，Ω)(I) Q (電量，C) = I (電流，A) X t (時(shí)間，s)(2) 步驟五、根據(jù)單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)判斷土壤污染毒性:單室微生物燃料電池運(yùn)行期間的產(chǎn)電電量越低，或產(chǎn)電電壓或電流的峰值越低，或達(dá)到峰值的時(shí)間越晚，表明土壤污染毒性越大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述陽極放置在單室微生物燃料電池底部，陰極浸沒在淹水土壤水層或土壤懸液的液面以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述污染土壤懸液的提取方法為:向污染土壤中加入蒸餾水或去離子水，振蕩后靜置或者震蕩后離心，獲取上層土壤懸液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的利用單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述陽極的材料為碳?xì)帧⑻疾?、碳紙、碳刷、活性炭顆粒、石墨板、石墨顆粒、不銹鋼板、不銹鋼網(wǎng)、鈦板或鈦網(wǎng)；所述陰極的材料為在上述陽極材料中摻入或鍍上能夠催化氧氣還原的催化劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法，其特征在于，所述催化劑為鉬、酞菁類化合物或金屬卟啉類化合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的利用單室微生物燃料電池的產(chǎn)電信號(hào)檢測(cè)土壤污染毒性的方法，其特征在于，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(jī)污染物污染或者酸堿污染。
【文檔編號(hào)】G01N27/403GK104049017SQ201410287043
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】鄧歡, 薛洪婧, 鐘文輝 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)