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CN103782153A - 用于检测生物膜的方法和装置 - Google Patents

用于检测生物膜的方法和装置 Download PDF

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CN103782153A
CN103782153A CN201280032251.7A CN201280032251A CN103782153A CN 103782153 A CN103782153 A CN 103782153A CN 201280032251 A CN201280032251 A CN 201280032251A CN 103782153 A CN103782153 A CN 103782153A
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biofilm
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biological membrane
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T.古
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Abstract

用于检测腐蚀性生物膜和微生物影响的(MIC)腐蚀速率的方法和装置基于生物膜的产电性。装置可包括无源传感器，所述无源传感器具有至少一个第一电极、至少一个第二电极和用于使第一电极电连接到第二电极的外电路。第一电极和第二电极至少之一能够至少部分被生物膜包覆。在第一电极和第二电极电连接并暴露于至少一种介质时产生的可持续电特征(例如，电压和电流)指示部分包覆第一电极和第二电极至少之一的生物膜为产电性，并因此为腐蚀性。在线和离线生物膜传感器的执行需要特殊电极和传感器设计。

Description

用于检测生物膜的方法和装置
相关申请交叉引用
本申请要求2011年4月27提交的美国临时专利申请序列号61/479,635的优先权和任何其它权益，其内容通过引用结合到本文中。
技术领域
本公开涉及生物膜检测领域，更具体地讲，涉及检测产电性生物膜（并因此为腐蚀性生物膜）的方法和装置。本公开还涉及对于生物膜可对金属(例如，碳钢和不锈钢)有多大腐蚀性的检测。
背景
微生物影响的腐蚀(MIC)，也称为生物腐蚀，导致不同工业每年数十亿美元的损失，包括食品加工、制造、化学加工、水公用设施，特别是油气工业，在这里仅举数例。MIC通常是数月至数年的长期过程。减轻MIC是昂贵的，不仅在化学处理的成本方面，而且在于由于维修停工的生产损失。也已知MIC不利地影响老化基础结构，包括码头、桥、工厂、船坞、水塔、热交换器、流体输送管和水处理设施。根据一些资料，MIC占所有金属和建筑材料腐蚀的约20%。在2006年Prudhoe Bay，Alaska的管道泄漏(1/4"小孔)中，MIC是主要嫌疑。由于基础结构老化并且比以往更频繁的强化油回收，MIC正变得更成问题。
由于耗减的储量和高油气价格，通过利用强化油回收，也称为驱油（flooding），使先前低产的或非成本有效的油藏保持生产。驱油过程包括用水或二氧化碳(CO2)提高井压力，并从油藏推出残油。在驱油过程中最常使用海水，其将细菌和营养物引入系统。海水包含用于微生物生长的营养物和细菌(例如，硫酸盐还原菌(SRB))。另外，在油藏中可能已存在来自地质时代的细菌。由于硫酸根还原成H2S气体，油藏中的微生物活性经常导致酸化。由于微生物、水和营养物全部存在，石油管线易于MIC。另外，因为由于冷凝，痕量水分不可避免，所以气体管线也不免受MIC损害。
与一般腐蚀相比，MIC倾向于很局部化。生物膜，MIC的主因，一般由微生物细胞及其胞外产物(胞外聚合物)组成，这赋予它们非常多孔的结构，与包含的水量(>95%重量/重量)一致。生物膜中微生物的分布不均匀。在多物种生物膜聚生体中已发现高度复杂的结构，所述高度复杂的结构包含空隙、这些空隙之间的连接通道和微生物簇或层。在基体上形成生物膜时，可产生结节，并且可在结节下形成坑。结节可具有包含消耗氧的需氧菌的外部和经历减低的氧水平（这允许厌氧菌繁殖）的内部。一旦建立，MIC就极难消除，并且可发展成许多年内的长期维护和操作问题。从管道系统的裂缝和最远分支和盲管段完全去除MIC的失败一般导致在生物杀伤剂和/或清理处理后短时间内相同微生物的再侵染。
在很多情况下，由于厌氧生物膜生活在需氧生物膜下，与有氧腐蚀相反，与MIC相关的主要问题是无氧腐蚀。无氧腐蚀是由于铁由以下铁氧化反应溶解：
Fe → Fe2+ + 2e-　　　　　　　　(铁氧化反应)　　(1)
其中Fe2+溶解于本体流体。Fe2+也可与其它化学物类反应并沉淀。当存在硫酸根和SRB时，SRB产生硫化物，硫化物可生成硫化铁(FeS)，硫化铁在水中具有有限的溶解度。在达到过饱和后，FeS将沉淀，产生黑墨色。一般来说，FeS沉淀伴有H2S的像腐坏鸡蛋的气味表明存在SRB活性。
为了驱使反应1进行，必须去除由铁氧化反应释放的电子。含铁基体(例如，碳钢表面)上生物膜中的微生物可利用电子用于还原反应，例如，通过SRB还原硫酸根，以及通过硝酸盐还原菌(NRB)还原硝酸根，如下所示：
SO4 2- + 9H+ + 8e- → HS- + 4H2O　　　(硫酸根还原)　　(2)
2NO3 - + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O　　　(硝酸根还原)　　(3)
没有生物膜的生物催化，反应2和3不进行。微生物，例如SRB，一般需要有机碳用于生长。有机碳氧化提供电子和碳结构单元用于有机合成。电子用于还原反应，如反应2和3中所见。氧化还原反应产生用于细胞代谢和维持的能量，形成无氧呼吸的基础。
挥发性脂肪酸，例如乙酸根和乳酸根，通常由SRB用作有机碳源。在管线系统中，乙酸根通常比乳酸根更容易利用，但乳酸根经常用于实验室试验，因为乳酸根是较佳的营养物。以下作为实例显示乳酸根氧化反应：
CH3CHOHCOO- + H2O → CH3COO- + CO2 + 4H+ + 4e-　　(乳酸根氧化)　(4)
有机碳氧化反应(反应4)也需要微生物（例如，SRB）的生物催化。在乳酸根氧化与反应2或3结合时，氧化还原反应产生能量。在细胞的细胞质中发生有机碳氧化和氧化剂(例如，硫酸根、硝酸根和亚硝酸根)还原，如图1中所示。
如果在细胞质中发生反应2和4两者，则不涉及外部电子。因此，由利用铁氧化所释放的电子造成的直接电化学腐蚀不能发生。然而，当在铁基体上形成SRB生物膜时，如图2中所示，固着细胞(即，生物膜细胞直接附着到基体上)可能缺乏有机碳，因为生物膜充当有机碳从本体流体相输送到铁基体的传质阻挡层。即使细胞增殖不发生，微生物也需要维持存活能量。为了在有机碳缺乏的环境存活，固着细胞可利用从铁氧化反应释放的电子完成细胞质中的硫酸根还原。该氧化还原反应与结合硫酸根还原的乳酸根氧化同样高能，因为乳酸根和铁具有很相似的标准还原电位(在pH 7)，分别为-430mV和-447mV。这代表由于靠无氧呼吸生存的生物膜的存在而发生电化学腐蚀的基本机制。发酵菌不使用外部电子受体，例如硫酸根和硝酸根。在代谢中，它们产生自己的电子受体以达到电中性。典型实例是产生有机酸(例如乙酸)的产酸细菌(APB)或产酸真菌。APB分泌可腐蚀金属的有机酸而没有来自细胞的生物催化。因此，发生MIC不需要细胞为产电性。然而，实际上，微生物生活在协同生物膜聚生体中。发酵微生物分泌的有机酸实际上为SRB喜好的有机碳。通过用本发明检测生物膜聚生体中的SRB，也可间接检测APB，因为一旦检测，就可用微生物学和分子生物学测定进一步分析产电性生物膜样品，以查明生物膜中有哪些微生物物种。
与乳酸根不同，不溶性元素铁不能直接进入细胞质供给电子。因此，铁氧化反应(反应1)发生在微生物细胞外。然而，由铁氧化反应释放的电子必须进入细胞的细胞质用于硫酸根还原，如图2中所示。基本上，由于细胞不是好的电子导体，并且电子不能在流体中“游动”，所以电子转移进入细胞是个问题。另外，电子不能容易地从细胞外跨入细胞的细胞质，这在MIC中是个瓶颈步骤。
在流体和细胞的细胞质之间电子转移有两种主要方法：(a)直接电子转移(DET)；和(b)介导电子转移(MET)。DET依赖细胞壁中和细胞内的特殊蛋白和其它分子传递电子。对于DET，需要与基体(例如，铁基体)直接接触，除非细胞形成菌毛以桥连细胞和基体。一般地，直接在基体(例如，铁基体)上的固着细胞单层能够从铁氧化接受电子。然而，形成菌毛的细胞可能使数层固着细胞与铁基体连接，从而导致更严重的MIC。另一方面，MET依赖电子介体，电子介体为使电子在基体和细胞之间穿梭的氧化还原活性电子载体。介体是能够捕集和释放电子的可溶性分子。在流体中介体扩散导致电子转移，这些载体也可跨过细胞壁和细胞膜。当介体或电子载体存在时，多于一层细胞可对腐蚀过程有贡献。除了外加介体外，一些微生物细胞能够分泌介体以促进电子转移。因此，可从铁氧化反应收获更多电子，导致严重的MIC，因为用于细胞质中氧化剂(例如，硫酸根)还原的由细胞利用的可得电子数增加。
以上讨论表明，某些微生物细胞有能力转移和接受电子，这也称为产电性。要导致直接电化学MIC，固着生物膜细胞必须为产电性。因此，生物膜的腐蚀性与生物膜的产电性直接相关。在一些情况下，如果非产电性生物膜细胞能够借助于电子介体(例如，由相同生物膜群落中其它微生物分泌的介体或外加的介体)在金属基体和细胞之间转移电子，则也可认为非产电性生物膜细胞为产电性生物膜细胞。在一定的位置(例如，管壁的内表面)检测腐蚀性生物膜的能力是一个长期存在的问题。目前，由于对生物膜如何侵蚀金属缺乏确切了解，检测腐蚀性生物膜没有可靠方法。
用于生物膜检测的一些目前方法和装置使用线性极化电阻(LPR)扫描技术。在此技术背后的假设是生物膜的存在会与LPR响应相关。理论上，在此技术背后的假设与基础生物膜生物电化学不一致。已确定，生物膜一般是不良的电子导体，在大多数情况下，已发现生物膜行为的性质为电感性，而不是电阻性。LPR技术旨在用于电阻性膜而不是用于电感性膜。因此，利用LPR技术的方法和装置可能提供假阳性。例如，LPR技术不能在无机膜(有时为电阻性)和生物膜的存在之间作区分。另外，跨生物膜施加外电压(例如，如LPR所需)可干扰微生物代谢。在施加外电压时，生物膜可中断其自然腐蚀过程，因为它能够使用由外加电压提供的“自由”电子，而不消耗获得外部电子所需的资源。实际上，在研究针对MIC的外加电流阴极保护(ICCP)期间，研究者发现，外加电压实际上吸引SRB生物膜生长。
另外，目前的传感器不能在腐蚀性生物膜(即，产电性生物膜)和非腐蚀性生物膜(即，非产电性生物膜)之间区分，即使传感器能够检测生物膜的存在。与LPR技术相关的另一个主要问题是由对昂贵的恒电位仪和合适软件的需求产生的成本。LPR扫描技术需要以下恒电位仪：其可经编程以逐渐增加跨过包含生物膜的系统的外加电压、测量电流密度并计算极化电阻。运行这些LPR传感器系统所需的硬件和软件目前花费高达数千美元。
另一种报导的方法依赖硫化铁(FeS)的存在以检测生物膜。然而，这在大多数情况下不可靠，因为非生物的FeS一般存在于大多数系统。另外，在MIC由其它微生物导致时，例如产甲烷菌或NRB，FeS的存在对于生物膜检测不相关。另外，检测生物膜和MIC的其它方法依赖从中收集样品的营养和微生物环境。样品通常只包含浮游微生物，而不含已知导致MIC点腐蚀的生物膜微生物。
因此，在本领域中仍需要能够精确检测腐蚀性生物膜的存在同时以无源方式如此进行以免干扰生物膜的内在腐蚀过程的方法和装置。也需要检测生物膜对特定金属基体有多大腐蚀性。另外，在本领域中仍需要成本不高的用于精确检测腐蚀性生物膜的存在的方法和装置。
概述
本公开涉及用于无源检测产电性生物膜（并因此为腐蚀性生物膜）的方法和装置。在一个示例性实施方案中，无源检测腐蚀性生物膜的方法包括以下步骤：a)使第一电极暴露于包含能够形成生物膜的微生物的至少一种介质；b)允许在第一电极的至少一部分上形成生物膜；c)使在其一部分上形成有生物膜的第一电极电连接到第二电极；和d)测量由电连接的第一电极和第二电极产生的电特征，以确定生物膜是否为产电性。
在另一个实施方案中，提供一种用于无源检测腐蚀性生物膜的传感器。传感器可包括至少一个第一电极、至少一个第二电极和用于使第一电极电连接到第二电极的外电路。第一电极和第二电极至少之一能够至少部分被生物膜包覆。在第一电极和第二电极电连接并暴露于至少一种介质时产生的可持续电特征(例如，电压或电流)指示部分包覆第一电极和第二电极至少之一的生物膜为产电性，并因此为腐蚀性。
另外的特征和优势在以下描述中部分阐述，并且由以下描述而部分地显而易见，或者可通过实施公开的实施方案而认识。通过在任何所附权利要求中特别指出的要素及组合，将实现和取得所公开的实施方案的目的和优势。应了解，前述总体描述和以下详述两者均仅为示例性和说明性，不限制可要求保护的所公开的实施方案。
附图简述
附图结合到本说明书并构成本说明的一部分，其图示所公开方法和装置的示例性实施方案，并与描述一起用于解释本文公开的方法和装置的原理。
图1为利用乙酸根和硫酸根的硫酸盐还原菌的细胞质中无氧呼吸的图示。
图2显示来自铁氧化的电子如何用于硫酸盐还原菌细胞质内的硫酸根还原，从而产生腐蚀。
图3显示用伏特计/安培计无源检测在阴极上形成的腐蚀性生物膜的传感器的实施方案。
图4显示无源检测在阳极上形成的腐蚀性生物膜的传感器的实施方案。
图5显示无源检测管线内腐蚀性生物膜的阳极传感器的实施方案的概要示意图。
图6显示无源检测管线内腐蚀性生物膜的阴极传感器的实施方案的概要示意图。
图7显示无质子交换膜的使用银/硫化银阳极无源检测腐蚀性生物膜的传感器的实施方案。
图8显示用钽/五氧化二钽阳极无源检测腐蚀性生物膜的传感器的实施方案。
图9A显示无源检测腐蚀性生物膜的在线阴极传感器的实施方案。
图9B显示无源检测腐蚀性生物膜的在线阴极传感器的实施方案。
图10显示无源检测结构表面上腐蚀性生物膜的传感器的实施方案。
图11显示无源检测腐蚀性生物膜的投入式传感器模块的实施方案。
图12显示无源检测多个液体样品是否能够形成产电性生物膜的传感器阵列的实施方案。
图13显示用于在电极上形成产电性生物膜的微生物燃料电池装置的实施方案。
图14显示无源检测腐蚀性生物膜的传感器的实施方案。
图15显示一种传感器的实施方案的电压输出响应相对于时间的曲线图，所述传感器具有被活的生物膜部分包覆的阴极、被杀灭的生物膜部分包覆的阴极和没有生物膜的阴极。
详述
除非另外定义，本文所用的所有技术和科学术语均具有与本发明所属领域的普通技术人员普遍了解相同的含义。本文发明描述中使用的术语只是为了描述具体实施方案，并不是旨在限制本发明。本发明可按不同形式体现，而不应解释为限于本文所述的实施方案。更确切地说，提供这些实施方案使得本公开彻底和完全，并且对本领域的技术人员充分传达本发明的范围。
如本发明和所附权利要求的描述中所用，单数形式“一”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另作清楚表示。
除非另外指明(例如，通过使用术语“精确地”)，本说明书和权利要求中所用的所有表示成分、反应条件等的量的数字均应理解为在所有情况下受术语“约”修饰。因此，除非相反表示，以下说明书和所附权利要求中阐述的数值参数为近似值，其可根据在本发明的实施方案中寻求实现的期望性质而变化。在最低程度上，并且不企图限制权利要求范围的等同原则的应用，各个数值参数应按照有效数字和普通舍入方法的数值解释。
尽管阐述本发明宽范围的数值范围和参数为近似值，但尽可能精确报导具体实施例中阐述的数值。然而，由于在相应试验测量中存在的标准偏差，任何数值本身必然包含一定误差。在本说明通篇给出的每个数值范围应包括落入此较宽数字范围内的每个较窄数值范围，如同在本文中完全明确地书写这些较窄数值范围。
“微生物影响的腐蚀(MIC)”应指以下过程：其中由于微生物群落的至少一个成员的作用，系统的任何元件在结构上受损。
表述“微生物燃料电池(MFC)”、“生物膜传感器”和“生物燃料电池”应指通过模拟在自然中发现的微生物相互作用来驱动电流的任何生物电化学系统。“MFC”也可定义为评价其中放入和/或包含样品的非营养电化学环境的任何生物学装置。
“部分包覆”应指电极表面的任何部分被生物膜覆盖。在一些实施方案中，表面的覆盖率百分数由0.1%、0.25%、0.5%、0.75%、1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%和100%组成。
表述“生物膜”是指其中细胞粘附到相邻细胞和/或表面的微生物聚集体。这些相邻细胞通常包埋在聚合物质的自产胞外基质中，所述聚合物质通常由蛋白质和多糖组成。生物膜中的微生物细胞在生理上与相同生物的浮游生物细胞不同，相反，浮游生物细胞是可游动或飘浮通过流体的单细胞。
在用于描述组合物时，表述“水溶液”是指其中溶剂为水的溶液，包括含盐的水，所述盐例如：硫酸镁(MgSO4)、柠檬酸钠、硫酸钙(CaSO4)、氯化铵(NH4Cl)、磷酸二钾(K2HPO4)、乳酸钠(NaC3H5O3)和硫酸铁(II)铵Fe(NH4)2(SO4)2；含挥发性脂肪酸、挥发性脂肪酸盐、醇、己糖和氢的水；海洋或海水；微咸水；淡水源，包括湖、河、溪流、泥沼、池塘、沼泽、来自雪或冰融化的径流；泉水、地下水和含水层；和沉淀。
在本方法中用于描述材料时，表述“油”是指在环境温度为液体并且为疏水性但可溶于有机溶剂的任何物质，有机溶剂包括但不限于己烷、苯、甲苯、氯仿和二乙醚。在以上定义的上下文中包括的化合物种类包括植物油、石化油(例如，原油和精炼石化产品)和挥发性精油(即，来自工厂的芳族化合物)。
在本方法中用于描述材料时，表述“燃料”是指储存能量的任何物质，包括化石燃料、汽油、烃的混合物、喷气式发动机燃料和火箭燃料和生物燃料。
在本方法中用于描述材料时，表述“金属”、“金属性”和“金属合金”是指任何元素金属或包含元素金属的合金(例如，黄铜、青铜和钢)。金属和金属合金产品的实例包括但不限于管、基础结构、梁、板、预制结构、水下结构、保留结构(例如，水塔)、军事设施和结构、军事装备(例如，潜艇和舰船)和军需品。
“微生物”应指能够群集和/或直接或间接导致MIC的任何及所有微生物。通常群集并导致油气工业中管线损坏的微生物的实例为奇异变形杆菌(Proteus mirabilis)、溶解欧文菌(Erwinia dissolven)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)、乳链球菌(Streptococcus lactis)、琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)、氧化葡糖杆菌(Gluconobacter oxydans)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)、奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)、腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)IR-1、乙酸氧化脱硫单胞菌(Desulfuromonas acetoxidans)、金属还原地杆菌(Geobacter metallireducens)、硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)、铁还原红育菌(Rhodoferax ferrireducens)、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)、丙酸脱硫叶菌(Desulfobulbus propionicus)、异常毕赤酵母(Pichia anomala)、沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)、人苍白杆菌(Ochrobactrum anthropi)、嗜酸菌种(Acidiphilium sp.)、Thermincola sp.、Geopsychrobacter electrodiphilus、肠杆菌(Enterobacter)和柠檬酸杆菌(Citrobacter)细菌(例如，溶解肠杆菌(E. dissolvens)、路氏肠杆菌(E. ludwigii)、法氏柠檬酸杆菌(C. farmeri)和无丙二酸柠檬酸杆菌(C. amalonaticus))；真杆菌(Eubacterium)和梭菌(Clostridium)细菌(例如，丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、解木聚糖梭菌(Clostridium algidixylanolyticum)、Anaeorfilum pentosovorans、拟杆菌种(Bacteroides sp.)、不动杆菌种(Acinebacter sp.)、丙酸杆菌种(Propionibacterium sp.))；硫酸盐还原菌，包括但不限于脱硫弧菌(Desulfovibrionales)(例如，脱硫脱硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans)、普通脱硫弧菌(Desulfovibrio vulgaris)、食氨基酸脱硫弧菌(Desulfovibrio aminophilus))；硝酸盐还原菌；亚硝酸盐还原菌；产甲烷菌；脱硫菌(Desulfobacterales)和互营杆菌(Syntrophobacterales)；硫代硫酸盐还原厌氧菌(例如，Geotoga aestuarianis、Halanaerobium congolense、硫化螺旋菌种(Sulfurospirillum sp.))；四氯乙烯降解厌氧菌(例如，卵形鼠孢菌(Sporomusa ovata))；三乙醇胺降解菌(例如，醋杆菌种(Acetobacterium sp.))；脱氮剂(例如，食酸菌种(Acidovorax sp.)、假单胞菌种(Pseudomonas sp.))；木聚糖降解菌；硝化螺旋菌(Nitrospirae)；盐单胞菌亚种(Halomonas spp.)；海源菌亚种(Idiomarina spp.)；海杆菌(Marinobacter aquaeolei)；海旋菌种(Thalassospira sp.)；硅杆菌种(Silicibacter sp.)；色盐杆菌种(Chromohalobacter sp.)；芽孢杆菌(例如，芽孢杆菌亚种(Bacillus spp. )微小杆菌亚种(Exiguobacterium spp.))；反硝化丛毛单胞菌(Comamonas denitrificans)；甲烷杆菌(Methanobacteriales)；甲烷微菌(Methanomicrobiales)；甲烷八叠球菌(Methanosarcinales)。通常群集并导致其它工业中管线损坏的微生物的实例为：金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、抗甲氧西林金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus)("MRSA")、大肠埃希氏菌(Escherichia coli)、粪肠球菌(Enterococcus fecalis)、绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa)、曲霉菌(Aspergillus)、念珠菌(Candida)、艰难梭菌(Clostridium difficile)、表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)和不动杆菌种(Acinobacter sp.)。
在用于描述性质时，表述“电化学”是指在溶液中在电子导体和离子导体的界面发生的化学或生物化学反应的研究，包括在电极和溶液中的电解质物类之间的电子转移。
在本文中，术语“产电性的”或“产电性”应指活的生物体产生与在生物过程中电子转移或利用相关的电活性或电响应的性质。
本文所用术语“电特征”是指电学量，例如电压、电流、电阻、开路电压等。
本文所用术语“介质”是指本发明的电极所暴露到的流体。流体可以为液体和/或气体，包括但不限于MgSO4溶液、NaCl溶液、缓冲溶液(例如，磷酸盐缓冲盐水(PBS))、空气、氧、氢、水和前面定义的术语“水溶液”、“油”和“燃料”。介质必须包含用于导电的离子物类。
本文所用术语“无源”或“无源地”是指不存在外加电压或电场。
在本文中用于描述电特征的术语“可持续”是指测量的电特征不在小于约30分钟内消散。
本文公开了基于生物膜的产电性用于无源检测腐蚀性生物膜的方法和装置。如先前所述，直接电化学MIC过程需要金属表面上的产电生物膜。在示例性实施方案中，产电生物膜能够将电子从金属氧化反应(例如，铁氧化，反应1)输送到生物膜细胞的细胞质，其中还原反应利用电子。生物膜的电子“吸收”驱动反应1进行，导致铁溶解。失去铁在化学计量上与从铁氧化的电子损失相关。对于每两个损失的电子，一个铁(Fe)原子成为可溶亚铁离子(Fe2+)。因此，直接检测铁表面和生物膜之间转移的电子数可指示生物膜腐蚀性和MIC的存在或速率。然而，未公开可布置在金属表面和生物膜之间用于检测电子转移的传感器。由于会干扰MIC过程本身，这种传感器是不太适当的。
本文公开了无源传感器，其检测生物膜是否为产电性并因此为腐蚀性。在一个示例性实施方案中，传感器包括至少一个第一电极、至少一个第二电极和用于使第一电极电连接到第二电极的外电路。第一电极和第二电极至少之一能够至少部分被生物膜包覆。在第一电极和第二电极电连接并暴露于至少一种介质时产生的可持续电特征指示部分包覆第一电极和第二电极至少之一的生物膜为产电性，并因此为腐蚀性。
在一个实施方案中，可使传感器形成为微生物燃料电池(MFC)。在此实施方案中，第一电极可作为阳极工作，第二电极可作为阴极工作。或者，第一电极可作为阴极工作，第二电极可作为阳极工作。传感器可包括具有第一电极隔室和第二电极隔室的室。可用质子交换膜(PEM)分隔第一电极隔室和第二电极隔室。第一电极隔室包括第一电极和第一介质，第二电极隔室包括第二电极和第二介质。传感器还包括用于使第一电极电连接到第二电极的外电路。
现在参考图3，图3显示生物膜传感器的示例性实施方案。此具体实施方案为阴极生物膜传感器的示例。在此实施方案中，第一电极作为阳极工作，第二电极部分被生物膜包覆并作为阴极工作。如图3中所见，室由质子交换膜(PEM)分成第一电极隔室(即，阳极室)和第二电极隔室(即，阴极室)。第二电极可包括部分被生物膜包覆的金属(例如，碳钢、不锈钢、铁合金等)试样，第二介质可包含一种或多种氧化剂，包括但不限于硫酸根、硝酸根、亚硝酸根和二氧化碳。另外，第二介质可不含有机碳和溶解氢。第一电极隔室可构造成非生物化学阳极，例如氢(H2)阳极，其中第一介质包括提供-414mV标准电位的与水平衡的氢(例如，与pH 7液体水平衡的顶部空间中1巴的氢)。第一电极可包括催化电极材料，例如铂、镀铂金属或本领域普通技术人员已知的其它有效催化电极。以下两个反应用SRB生物膜作为实例分别在第一电极隔室(即，阳极隔室)和第二电极隔室(即，阴极隔室)中进行。
阳极反应　　 H2 → 2H+ + 2e-　　　　　　　　　(5)
阴极反应　　 SO4 2- + 9H+ + 8e- → HS- + 4H2O　(6)
氧化和还原反应被分成两个分开的半电池，以便能够测量从阳极室到阴极室的电子流。
反应5和6的结合释放能量。在一些实施方案中，只有在生物膜能够将电子从第二电极转移到SRB的细胞质用于硫酸盐还原时，才可产生可持续电特征(例如，电压和电流)。在一些实施方案中设计传感器，使得限制步骤为第二电极和生物膜之间的电子转移。为了使此发生，通过具有足够大面积的第一电极使溶解氢(H2)和阳极之间的电子转移电阻最小化。通过使用具有足够大表面积的NafionTM膜，还使内阻最小化。在一些实施方案中，通过伏特计、零电阻安培计(ZRA)、皮安计或标准多用电表检测可持续电特征。优选地，本文利用的安培计也具有测量电压的能力。开路电压和闭路电压两者均为可用的电特征。为了测量闭路电压，需要外电阻(在图3中由“R”表示)。根据传感器的内阻，该电阻可以为1、10、100或1000欧姆。可持续电特征的检测(例如，电压或电流)表明生物膜为产电性，并因此为腐蚀性。
在一些实施方案中，在图3中所示的传感器为无源传感器，因为没有加外电压。非腐蚀性(即，非产电性)生物膜不能从第二电极接受电子。因此，非腐蚀性生物膜不能产生任何可持续电特征，例如，电压和电流。在其它实施方案中，腐蚀性生物膜从第二电极接受电子，并利用电子用于细胞质中的还原反应。细胞质中的还原反应消耗来自第一电极隔室中氢(H2)氧化的电子。这驱动电子从第一电极通过外电路流到第二电极。通过电测量装置，例如伏特计/安培计组合电表，可测量产生的电特征。在一些实施方案中，腐蚀性生物膜的检测和腐蚀性生物膜的类型(例如，硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌、产甲烷菌等)与可测量电压相关，并且可通过可持续电流反映生物膜的侵蚀性。在一些实施方案中，通过将测量的电特征与和已知的腐蚀性生物膜相关的电特征相比较，以确定存在的腐蚀性生物膜的类型，可实现校准。
例如，可试验普通腐蚀性生物膜，例如脱硫脱硫弧菌，以在实验室或实地点腐蚀试验中确定其电特征。可在无氧瓶中用金属试样进行标准化点腐蚀试验。在一些实施方案中，可检查试样的表面坑点大小和形状及总重量损失。在一些情况下，最深的坑点可以是生物膜侵蚀性或MIC点腐蚀速率的最重要度量，因为MIC失效最常与最深的坑点相关。在一些实施方案中，上述无源传感器可以能够检测SRB、NRB和产甲烷菌。为了更精确测量电特征，第二电极隔室中的第二介质应不含生物膜能够利用的有机碳或溶解氢，因为这些化合物的局部氧化可与氧化剂的还原结合，而不需要从第二电极供给的电子（其通过外电路来自第一电极）。为了模拟管线中的真实流体条件，可用具有有机碳或溶解H2的实际流体或模拟局部管线流体的人工溶液作为第二电极隔室中的第二介质。与没有有机碳(或溶解H2)的介质比较，该流体可产生更低的测量电特征(例如，电压和电流)。然而，测量的电特征更真实地反映那种流体环境中生物膜的实际MIC能力。
在一些实施方案中，图3中所示传感器的第二电极(即，阴极)可包括非反应性导电材料，例如石墨。用惰性材料避免测量的电特征的潜在不精确读数。例如，在基于铁的第二电极表面上的氧化反应可供给电子，这些电子取代对来自第一电极的电子的需要。这表示在第二电极上的还原反应可使用由铁氧化反应释放的电子，因为Fe2+/Fe标准还原电位比处于pH 7的氢参比电极更负。因此，如果生物膜利用来自铁氧化反应的电子，传感器就可能检测不到可持续电特征，例如，电压或电流。
现在参考图4，图4显示形成为微生物燃料电池(MFC)的传感器的另一个示例性实施方案。此具体实施方案为阳极生物膜传感器的示例。在此实施方案中，第一电极部分被生物膜包覆并作为阳极工作，第二电极作为阴极工作。如图4中所见，室由质子交换膜(PEM)分成第一电极隔室(即，阳极室)和第二电极隔室(即，阴极室)。第一电极可包括部分被生物膜包覆的金属(例如，碳钢、不锈钢等)试样，第一介质可包含有机碳(例如，各种挥发性脂肪酸(例如，乙酸根、乳酸根等)或氢，以用作电子供体。第一电极隔室可保持在无氧条件，第一介质可不含氧化剂，例如硫酸根、硝酸根和亚硝酸根，仅举数例。第二电极隔室可构成为氧或空气阴极，第二电极可选自石墨、碳泡沫、炭纸、网状玻璃碳、碳布、碳化钼、碳纳米管、导电聚合物、铂、镀铂金属、钴络合物、锰氧化物和二氧化铅，仅举数例。外电路用于电连接第一电极和第二电极。在此实施方案中，传感器通过利用两个半反应(例如，以下所示的反应7和8)利用相反的电子输送方向，以在第一电极和第二电极电连接并暴露于至少一种介质时产生通过外电路的可持续电特征。
以乳酸根作为示例性有机碳源，以下显示在图4的传感器中发生的阳极反应和阴极反应。
阳极反应　CH3CHOHCOO- + H2O → CH3COO- + CO2 + 4H+ + 4e-　(7)
阴极反应　O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O　　　(8)
在此实施方案中，从细胞质中的乳酸根氧化释放的电子由生物膜供到第一电极(即，阳极)。由于电子释放以及释放的电子通过包覆或部分包覆第一电极的生物膜中的产电性微生物供给到第一电极，电子可通过外电路流到第二电极，以参与氧还原。电子流动与在实际MIC过程中从金属表面到生物膜的电子流动相反。然而，电子流动的两个方向紧密相关，因此如果生物膜有效供给电子，其也可能能够有效地接受电子。这表示通过图4中所示传感器检测的可持续电特征将指示生物膜为产电性，并因此为腐蚀性。通过电测量装置，例如伏特计/安培计，可测量产生的电特征。在一些实施方案中，可通过可持续电压检测生物膜类型(例如，SRB生物膜或NRB生物膜)，并且可通过可持续电流反映生物膜的侵蚀性。如先前所述，通过将测量的电特征与和已知的腐蚀性生物膜相关的电特征相比较以确定存在的腐蚀性生物膜的类型，可实现校准。
在一个示例性实施方案中，图4中所示的阳极生物膜传感器可具有包含石墨或不容易氧化的其它材料的第一电极(即，阳极)。例如，Fe2+/Fe的标准还原电位(-0.447V)类似于二氧化碳+乙酸根/乳酸根的标准还原电位(-0.43V)。由于标准还原电位相似，可能铁氧化反应会干扰有机碳氧化反应。因此，包含石墨或其它惰性材料的第一电极会减小来自传感器的不精确读数的可能性。
在一个实施方案中，电极可包括双板电极，其包含与第二惰性板(优选石墨板或其它惰性、导电材料)直接接触的第一金属板(优选钢或结构相同的金属)。第一金属板可进一步包括多孔膜或多孔涂层，所述多孔膜或多孔涂层覆盖第一金属板中不与第二惰性板直接接触的任何表面，以防止生物膜直接附着，并允许离子物类扩散进入介质。第一金属板用作在第二惰性板形成的生物膜的电子给体。这种电极设计允许生物膜通过导电性第二惰性板取得来自金属氧化的电子。因此，这种电极设计促进生物膜更紧密地附着到第二惰性板，以通过更直接的接触，或者通过在固着细胞和第二惰性板的表面之间形成菌毛，提高生物膜的产电性。在传感器检测生物膜的产电性期间，可去除第一金属板，以消除任何干扰。
在一些实施方案中，电极可包括碳泡沫、炭纸、网状玻璃碳、碳布、碳化钼、碳纳米管、导电聚合物、铂、镀铂金属、钴络合物、锰氧化物和二氧化铅，仅举数例。
在一些实施方案中，腐蚀性生物膜可在管线内或从可证明生物膜成问题的其它位置在线采收。在一些实施方案中，然后可使生物膜在阴极或阳极生物膜传感器中生长，以检测生物膜的产电性。为了在离线阴极生物膜传感器中生长生物膜(带有从怀疑生物膜污染部位收集的接种物)，向阴极室加入一些限制量的有机碳(例如，乳酸根)或溶解H2营养物(对于产甲烷菌)。应限制加入量，使得在生物膜生长时，消耗大部分(如果不是全部)所加的营养物。这将允许在阴极上建立的生物膜开始从阴极接受通过阳极经外电路提供的电子。这将产生可通过伏特计/安培计测量的可持续电特征，例如，电压和电流。
类似地，为了在离线阳极生物膜传感器中生长生物膜，向阳极室加入一些限制量的氧化剂，例如硫酸根、硝酸根、亚硝酸根或二氧化碳。当生物膜在阳极上建立时，它应消耗大部分(如果不是全部)氧化剂。随后，生物膜用阳极作为电子受体，而不是用氧化剂，并且生物膜将来自有机碳氧化的电子供给到阳极。这将产生可在外电路通过电测量装置(例如，伏特计/安培计)测量的可持续电特征，例如，电压和电流。对于在线阳极生物膜传感器，不含氧化剂(例如，氧、硫酸根、硝酸根、亚硝酸根等)的人工介质可用于阳极生物膜传感器。在其它实施方案中，在线阴极生物膜传感器可需要不含有机碳和溶解氢的人工介质。在其它实施方案中，可用来自生物膜的天然环境的流体作为介质用于试验或传感程序。在一些实施方案中，当从管线或流动系统取出的试样(即，电极)为离线时，可通过使生物膜有消耗它们的时间而去除天然介质中的氧化剂，或者可通过沉淀去除氧化剂。当从管线或流动系统取出的试样为离线时，对于阳极生物膜传感器(图4)，天然介质可被不含氧化剂的介质代替，以使可持续电特征最大化，而对于阴极生物膜传感器(图3)，可通过使生物膜有消耗它们的时间而从介质去除有机碳和H2。该介质还可被不含有机碳和H2但含氧化剂(例如，硫酸根、硝酸根和二氧化碳)的人工混合介质代替。
在一些实施方案中，可用新传感器在线检测腐蚀性生物膜。在一些实施方案中，可在水和营养物倾向于积累的高风险位置（例如管线中的盲管段）策略地放置传感器。在另一个实施方案中，可在高风险位置（包括储槽和水冷却塔）放置传感器。
在一个示例性实施方案中，可在来自管线的金属试样(即，电极)上收集生物膜。金属试样优选包括与管线相同的材料。随后，从管线取出金属试样，然后在含有提供-414mV电位的处于pH 7的氢阳极的传感器中作为阴极处理，如图3中所见。在一些实施方案中，可用不含还原剂的介质代替管线流体。在其它实施方案中，可用伏特计/安培计测量传感器的电特征，例如，电压和电流。介质可以为去除还原性化合物(例如，有机碳和溶解H2)后的人工介质或管线流体。去除可表示通过生物膜离线经过一段时间或通过其它手段（例如，使用不含还原性化合物的人工混合介质）消耗。在一些实施方案中，在一个或多个小时后，或在使生物膜有足够时间适应新介质后，可通过传感器由可持续电特征检测试样表面上腐蚀性生物膜的存在。在另一个实施方案中，如果检测到没有腐蚀性生物膜，就可将金属试样放回管线中用于另外的监测。由于成本-效益分析，根据系统中生物膜生成的可能性，可每日、每星期、每月或每年重复读数。
参考图5，图5提供在线阴极生物膜传感器的示例性说明。可将传感器插入怀疑易受MIC侵蚀的管线的某些区段，例如盲管段或不流动或低流动区域。在一个星期、一个月或更长时间后，可将信号送到传感器，以将试样(阴极)收回到室，并将(阴极)室密封，如图5(b)中所见。然后用含有硫酸根、硝酸根和溶解二氧化碳的介质将室自动冲洗并填充。在至少30分钟后，如果生物膜为产电性(即，腐蚀性)，显著的电压或电流就可持续。为了最佳反映局部营养环境，在生物膜离线后，介质可以为经处理以去除任何还原剂(例如，有机碳和氢)的局部流体，或者给予足够时间以允许生物膜消耗还原剂。
在另一个示例性实施方案中，可用在线阳极生物膜传感器收集金属试样(即，电极)上的生物膜。金属试样优选包括与管线相同的材料。随后，从管线取出试样，并用作传感器中的阳极，如图6中所见。对于包覆或部分包覆阳极的生物膜，用管线流体作为阳极室中的介质。使生物膜有足够时间消耗介质中存在的任何氧化剂。在氧化剂几乎消耗完后，生物膜开始将电子供给阳极，这将产生可持续电特征，指示生物膜为产电性并且为腐蚀性。如果传感器检测到没有腐蚀性生物膜，就可将金属试样重新插在管线中用于另外的监测。
继续参考图6，图6提供在线阳极生物膜传感器的示例性说明。可将传感器插入怀疑易受MIC侵蚀的管线的某些区段，例如盲管段或不流动或低流动区域。在一个星期、一个月或更长时间后，可将信号送到传感器，以将试样(阳极)收回到室，并将(阳极)室密封，如图6(b)中所见。然后用介质将室自动冲洗并填充。在至少30分钟后，如果生物膜为产电性(即，腐蚀性)，显著的电压或电流就可持续。为了最佳反映局部营养环境，在生物膜离线后，介质可以为经处理以去除任何氧化剂(例如，氧、硫酸根、硝酸根和亚硝酸根)的局部流体，或者给予生物膜足够时间以消耗氧化剂。
阴极和阳极生物膜传感器两者均具有不同的优势，尤其在去除氧化剂或还原剂后使用初始管线流体时。在某些情况下，去除氧化剂(对于阳极生物膜传感器)可比去除还原剂(对于阴极生物膜传感器)更容易，反之亦然。由于选择性去除氧化剂和还原剂的难度，基于所利用的介质，阳极或阴极生物膜传感器可比另一个更方便。
在一些实施方案中，阳极和阴极生物膜传感器可使用可形成生物膜的任何多种产电性微生物，包括SRB，例如脱硫脱硫弧菌和普通脱硫弧菌，这些已在微生物燃料电池研究中用于阳极和阴极生物膜。可形成生物膜的其它产电性微生物包括但不限于奇异变形杆菌(Proteus mirabilis)、溶解欧文菌(Erwinia dissolven)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)、乳链球菌(Streptococcus lactis)、琥珀酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)、氧化葡糖杆菌(Gluconobacter oxydans)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)、奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)、腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)IR-1、乙酸氧化脱硫单胞菌(Desulfuromonas acetoxidans)、金属还原地杆菌(Geobacter metallireducens)、硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)、铁还原红育菌(Rhodoferax ferrireducens)、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)、丙酸脱硫叶菌(Desulfobulbus propionicus)、异常毕赤酵母(Pichia anomala)、沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)、人苍白杆菌(Ochrobactrum anthropi)、嗜酸菌种(Acidiphilium sp.)、Thermincola sp.、Geopsychrobacter electrodiphilus、肠杆菌(Enterobacter)和柠檬酸杆菌(Citrobacter)细菌(例如，溶解肠杆菌(E. dissolvens)、路氏肠杆菌(E. ludwigii)、法氏柠檬酸杆菌(C. farmeri)和无丙二酸柠檬酸杆菌(C. amalonaticus))；真杆菌(Eubacterium)和梭菌(Clostridium)细菌(例如，丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、解木聚糖梭菌(Clostridium algidixylanolyticum)、Anaeorfilum pentosovorans、拟杆菌种(Bacteroides sp.)、不动杆菌种(Acinebacter sp.)、丙酸杆菌种(Propionibacterium sp.))；硫酸盐还原菌，包括但不限于脱硫弧菌(Desulfovibrionales)(例如，脱硫脱硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans)、普通脱硫弧菌(Desulfovibrio vulgaris)、食氨基酸脱硫弧菌(Desulfovibrio aminophilus))；硝酸盐还原菌；亚硝酸盐还原菌；脱硫菌(Desulfobacterales)和互营杆菌(Syntrophobacterales)；硫代硫酸盐还原厌氧菌(例如，Geotoga aestuarianis、Halanaerobium congolense、硫化螺旋菌种(Sulfurospirillum sp.))；四氯乙烯降解厌氧菌(例如，卵形鼠孢菌(Sporomusa ovata))；三乙醇胺降解菌(例如，醋杆菌种(Acetobacterium sp.))；脱氮剂(例如，食酸菌种(Acidovorax sp.)、假单胞菌种(Pseudomonas sp.))；木聚糖降解菌；硝化螺旋菌(Nitrospirae)；盐单胞菌亚种(Halomonas spp.)；海源菌亚种(Idiomarina spp.)；海杆菌(Marinobacter aquaeolei)；海旋菌种(Thalassospira sp.)；硅杆菌种(Silicibacter sp.)；色盐杆菌种(Chromohalobacter sp.)；芽孢杆菌(例如，芽孢杆菌亚种(Bacillus spp. )微小杆菌亚种(Exiguobacterium spp.))；反硝化丛毛单胞菌(Comamonas denitrificans)；甲烷杆菌(Methanobacteriales)；甲烷微菌(Methanomicrobiales)；甲烷八叠球菌(Methanosarcinales)。虽然在本文中未列出所有可能的产电性微生物，但本领域普通技术人员应能够容易确定微生物是否为产电性。
通常群集并导致其它工业中管线损坏的微生物的实例为：金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、抗甲氧西林金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus)("MRSA")、大肠埃希氏菌(Escherichia coli)、粪肠球菌(Enterococcus fecalis)、绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa)、曲霉菌(Aspergillus)、念珠菌(Candida)、艰难梭菌(Clostridium difficile)、表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)和不动杆菌种(Acinobacter sp.)。可用包含这些微生物的生物膜在生物膜传感器中将电子供给到阳极，或从阴极接收电子。在一些实施方案中，新的传感器可能不对非腐蚀性生物膜引起响应，因为非腐蚀性生物膜不是产电性，并且不能转移或接受电子。在其它实施方案中，新的传感器只检测产电性和腐蚀性生物膜。
在一些实施方案中，通过将传感器输出数据与已作为MIC点腐蚀研究（例如，在无氧瓶中进行的研究）的结果收集的生物膜标准数据比较，新传感器可检测腐蚀性生物膜的存在和生物膜对金属表面的侵蚀性两者。在一些实施方案中，相对于与LPR技术相关的昂贵的恒电位仪，传感器可使用零电阻安培计(ZRA)或皮安计。在一些实施方案中，可用标准多用电表或伏特计/安培计组合电表代替ZRA用于初步传感。在另一个实施方案中，视觉传感器在预定的输出电流和/或电压阈处提供视觉信号。在另一个实施方案中，视觉信号将是光的照明，例如发光二极管(LED)，以通知检查员。可在外电路中提供光电晶体管，以放大可持续电特征，例如，电压和/或电流，以触发视觉信号警告检查员。检查员可来到放置传感器的位置，并用电测量装置确认可持续电特征的存在。另外，检查员可取回电极用于离线分析。在其它实施方案中，传感器可构造成将信号发送到作为信号系统的一部分的GPS、GSM或WiFi装置，以通知检查员可能的腐蚀性生物膜积累或MIC。可将更昂贵和精确的伏特计/安培计(例如，恒电位仪)带到现场用于更精确地测量电压和电流输出。
在一些实施方案中，可使传感器微型化，以制造用于在线或离线用途的生物膜微型传感器(BMS)。在其它实施方案中，生物膜微型传感器可置于芯片上，或集成到微型电路，以得到用于在直径或尺寸减小的系统中检测的微型化装置。除了图3-6中所示传感器的示例性实施方案外，多种其它传感器实施方案也是可能的。本文预期了包含开放式阳极室的传感器，阳极室可盖上金属表面，以将室密封。然后，可将金属表面的背面接线到阴极，以测量电特征，例如，电压和电流。对于非常弱的生物膜，为了放大可持续电特征，可向介质加入电子介体，包括但不限于黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、核黄素、铁氰化物、硫堇、腐殖酸、紫罗精、细胞色素、金属有机物和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)，仅举数例。
本文预期很多结构多样的传感器，其可形成为但不限于具有可移除板的通道、在线插入式传感器(例如，有螺纹的、拉力配合的(tension-fit)、夹紧配合的(clip-fit)、垫圈配合的(washer-fit)、卡箍配合的(collar-fit)和机械固定的)、多口生物膜传感器、用于批取样的架式和板式传感器以及球式或盘式传感器。
本文预期一种传感器，所述传感器包括流动池或通道、可移除的试样或板和使板固定到流动室的固定装置。将板从流动通道人工移出，通过插入外部系统用于离线取样。微生物的产电性可在外部系统中试验，或者可完成试样的物理分析，包括扫描电子显微法(SEM)和原子力显微法(AFM)、能量色散光谱法(EDS)和X射线衍射(XRD)。
本文预期一系列螺纹插入式传感器，所述传感器构造成与包含至少一种介质的结构(例如，管线)的螺纹开口接合。在一些实施方案中，插入式传感器可通过拉力固定，或者通过装置固定，包括夹、垫圈、螺母、螺丝、o形环、钉、卡箍或机械固定的其它手段。本文还预期了多口传感器，其中装置包含两个或更多个单独的口，可在口上放置密封装置(例如，板、试样、插塞、球、盘或其它金属物体)，以便金属物体的部分表面与可能倾向于生物膜生长的介质接触。在其它实施方案中，密封装置可通过前述方法保持在一定位置，并且所述多口传感器上任何数目的密封装置（从一个到所有装置）可移除，用于同时或在不同的时间点试验。
本文还预期球式或盘式装置，其中可使球或盘的一部分暴露于流体介质用于生物膜的样品收集，然后改变球或盘的位置以接近样品用于在线或离线试验，以确定产电生物膜的存在和/或侵蚀性。在一些实施方案中，球或盘可由棒沿轴支撑。在其它实施方案中，可用拉力将球或盘固定在一定位置用于样品收集或数据收集试验。
在一个实施方案中，从实地分离一系列生物膜细胞或浮游生物细胞样品。使用最佳反映实地条件的介质，在实验室内在传感器中单独试验各样品。在一些实施方案中，培养介质可以为从实地收集的局部流体(例如，海水、管线流体等)。在阳极表面或阴极表面上建立生物膜后，用新介质代替生长介质，并使系统平衡。新介质可不含可允许电压和电流响应的氧化剂(如果使用阳极生物膜传感器)或还原剂(如果使用阴极生物膜传感器)。
在另一个实施方案中，用具有NafionTM膜密封底部的瓶对实地生物膜或浮游生物细胞取样。瓶包含促进瓶中在可重复使用的镀铂不锈钢或其它金属上的生物膜生长的介质。为了促进金属表面上厌氧生物膜的生长，可向介质加入氧清除剂除氧，例如，半胱氨酸。在数小时或数天后，可在金属表面上形成生物膜。该介质可被不含有机碳和氢的新介质代替，例如电解质溶液。然后，在pH 7的新介质中，在带有钽/五氧化二钽阳极的微生物燃料电池中用瓶作为阴极室。测量电特征，例如，电压和电流，以指示生物膜是否为产电性，并因此为腐蚀性。在一些实施方案中，新介质可包含MgSO4溶液(0.1%至2%重量/重量)、NaCl溶液(0.1%至2%重量/重量)或PBS缓冲剂，仅举数例。
在另一个实施方案中，用具有NafionTM膜密封的底部或侧部的瓶对实地生物膜或浮游生物细胞取样。瓶包含促进瓶中可重复使用的镀铂不锈钢或其它金属电极上的生物膜生长的介质。为了促进电极表面上厌氧生物膜的生长，可向介质加入氧清除剂除氧，例如半胱氨酸。在数小时或数天后，可在电极表面上形成生物膜。该介质被包含有机碳但不含氧化剂(例如，硫酸根、硝酸根和二氧化碳)的新介质代替。然后，在具有氧半电池的微生物燃料电池中用瓶作为阳极室。测量电特征，例如，电压和电流，以指示是否生物膜为产电性，并因此为腐蚀性。
现在参考图7，图7显示用于无源检测腐蚀性生物膜的传感器的另外的示例性实施方案。如图7中所见，第一电极包括银/硫化银(Ag/Ag2S或SSS)电极，并且作为阳极工作。第一电极通过外电路电连接到第二电极。外电路可包括电阻器或电测量装置，例如多用电表、高阻抗伏特计或低(或零)电阻安培计，仅举数例。第二电极作为阴极工作，并且可选自石墨、金属和金属合金。继续参考图7，第二电极部分被生物膜包覆。在第一电极和第二电极电连接并暴露于至少一种介质时产生的可持续电特征(例如，电压和电流)指示部分包覆第二电极的生物膜为产电性，并因此为腐蚀性。
用固态银/硫化银(Ag/Ag2S或SSS)电极作为第一电极(即，阳极)提供数个优势。首先，SSS电极是一种廉价刚性电极，这种电极包括连接到用固态硫化银包覆的银盘的线。利用银/硫化银电极的传感器的半电池反应如下：
阳极反应　 2Ag + S2- → Ag2S + 2e　　　　　　(9)
阴极反应　 SO4 2- + 9H+ + 8e- → HS- + 4H2O　　 (10)
由阳极反应(9)产生的电子通过生物膜用于硫酸根还原(10)。图7中所示的箭头描绘传感器中的外部和内部电子流。SSS电极标准电位与介质中的硫离子(S2-)浓度弱相关。SSS电极需要一定量硫离子(S2-)存在于介质，以作为参比电极工作，例如至少0.001ppm的浓度。这样痕量的硫离子可通过管线流体、海水、废水、城市用水、径流水等满足。这表示即使对于非硫酸盐还原菌系统，仍可使用SSS电极。然而，SSS电极也可容许高硫化物浓度。为了生物膜检测的目的，不需要连续电流。因此，SSS电极可用于具有低硫离子浓度的介质，而不耗尽硫离子。理论上，图7中所示传感器的开路电位粗略为0.49V，用银氧化(反应9：0.71V)和硫酸根还原(反应10：-0.217V)的标准电位计算。实际读数随硫化物浓度而不同，依照能斯特方程，温度使电位变化。另外，活化和浓度过电位将减小可测量电特征，例如电压输出。如果关注的可持续电特征是电压输出，则高阻抗伏特计是优选的电测量装置。如先前所述，在传感器检测可持续电压时，这指示产电性和腐蚀性生物膜的存在，还可通过比较测量的电压和已知产电性和腐蚀性生物膜组成的电压指示产电性和腐蚀性生物膜的类型。另外，产电性生物膜以多快的速度点腐蚀金属基体取决于生物膜能够以多快的速度输送和利用电子。因此，来自传感器的电流输出是生物膜点腐蚀速率(即，腐蚀速率)的良好指标。为了提供电流的灵敏和精确读数，零电阻安培计是优选的电测量装置。
可通过将银盘/棒浸入碱性硫化钠溶液来廉价地制备银/硫化银电极。可用外电压和不锈钢电极使硫化钠以较快速率沉积到银表面上。另外，银/硫化银电极可作为参比电极市售获得。
除了银/硫化银电极外，第一电极(即，阳极)可以为选自钽/五氧化二钽(Ta/Ta2O5)电极、离子选择性电极(ISE)和离子选择性场效应晶体管的固态电极。这种电极的重要特征是，电极应能够提供比亚铁离子/铁(Fe2+/Fe)的标准还原电位(为-0.447V)基本上更负的标准还原电位。很负的标准还原电位意味着氧化反应更有利并且更可能发生。这是重要的，因为具有很负的标准还原电位（例如SSS电极的电位(-0.71V)）的电极抑制可局部提供电子到生物膜的铁氧化，这可导致传感器不产生电压或产生错误的电压。在利用此类型第一电极(即，阳极)时，第二电极可包括基于铁的金属，而不必使用石墨或其它惰性电极材料。使用基于铁的金属的一个明显优势在于，第二电极可包括与实地(例如，管线、储槽、换热器等)中结构相同的材料。因此，生物膜会形成于第二电极上，第二电极包括与实地中结构相同的材料，而不是不同的材料，例如石墨。
使用具有很负的标准还原电位的第一电极(即，阳极)的另一个优势是不需要从介质去除有机碳。例如，有机碳氧化可能在第二电极(即，阴极)的表面上受到抑制，因为电子可容易从外电路在第二电极的表面上得到。很负的标准还原电位使这成为可能，这类似于前述铁氧化抑制。这需要在第二电极上存在的生物膜为产电性，以便生物膜能够从第二电极接受电子。利用具有很负的标准还原电位的阳极(例如，Ta/Ta2O5电极)的另一个优势是可消除质子交换膜(PEM)。
传感器的外电路只需要定期地电连接到第一电极和第二电极，以测量电特征，例如，电压或电流。大部分时间，外电路是开路的，这允许生物膜形成于第二电极(即，阴极)上并腐蚀第二电极(即，阴极)。在一些实施方案中，可采收第二电极或阴极用于离线MIC点腐蚀检查。
现在参考图8，图8显示无源检测腐蚀性生物膜的传感器的另一个示例性实施方案。如图7中所见，第一电极包括钽/五氧化二钽(Ta/Ta2O5)电极，并且作为阳极工作。第一电极通过外电路电连接到第二电极。外电路可包括电阻器或电测量装置，例如多用电表、高阻抗伏特计或低(或零)电阻安培计，仅举数例。第二电极作为阴极工作，并且可选自石墨、金属和金属合金。继续参考图8，第二电极部分被生物膜包覆。在第一电极和第二电极电连接并暴露于至少一种介质时产生的可持续电特征(例如，电压和电流)指示部分包覆第二电极的生物膜为产电性，并因此为腐蚀性。在此实施方案中，所述至少一种介质可包含0.2%(重量/重量)或更高(例如，1%(重量/重量))MgSO4或NaCl溶液，或缓冲溶液，例如，磷酸盐缓冲盐水(PBS)。
钽/五氧化二钽(Ta/Ta2O5)电极在pH 7具有-0.75V的标准还原电位。利用钽/五氧化二钽(Ta/Ta2O5)电极的传感器的半电池反应如下：
阳极反应　　2Ta +5H2O → Ta2O5 + 10H+ + 10e-　　 (11)
氧化反应(11)具有+0.75V的电位，并且可与还原反应结合，例如硫酸根还原反应(-0.217V)或硝酸根还原反应(+0.76V)，如下所示。
硫酸根还原　　SO4 2- + 9H+ + 8e- → HS- + 4H2O　　 (12)
硝酸根还原　　2NO3 - + 12H+ + 10e- → N2 + 6H2O　 (13)
理论上，对于硫酸盐还原菌，图8中所示传感器的开路电位约为0.53V，对于硝酸还原菌的开路电位约为1.51V。实际读数由于活化和浓度过电位而更低，这可减小可持续电特征，例如电压输出。通过使纯钽在高于1000℃的温度暴露于氧，或暴露于熔融硝酸钾(KNO3)，可制备钽/五氧化二钽(Ta/Ta2O5)电极。
如先前所述，第一电极(即，阳极)可包括离子选择性场效应晶体管(ISFET)，只要ISFET提供足够负的标准还原电位。离子选择性场效应晶体管可允许制造微型传感器，尺寸主要取决于期望多大的阴极表面积。
现在参考图9A和9B，图9A和9B显示无源检测腐蚀性生物膜的传感器的另外的示例性实施方案。在这些实施方案中，传感器包括用于承载第一电极(即，阳极)和第二电极(即，阴极)至少之一的壳。壳可构造用于与包含至少一种介质的结构接合，使得第一电极的至少一部分和第二电极的至少一部分暴露于至少一种介质。例如，壳可包括螺纹六角形插塞，用于与结构中的螺纹开口接合，所述结构例如管或储槽，其包含含有能够形成生物膜的微生物的介质。如图9A和9B中所见，第一电极和第二电极可垂直或水平布置在壳上。另外，壳可具有与结构表面轮廓匹配的表面轮廓。例如，如果结构为管，壳可具有匹配管的轮廓，或者如果结构具有平表面，例如储槽的平壁，壳可具有用于安装的相应平表面。
在图9A和9B所示的实施方案中，第二电极(即，阴极)可选自石墨、金属和金属合金，并且第二电极部分被生物膜包覆。在一个具体实施方案中，壳自身可包括第二电极。第一电极(即，阳极)可选自钽/五氧化二钽电极、银/硫化银电极、离子选择性电极和离子选择性场效应晶体管。如前所述，传感器的外电路只需要定期地电连接到第一电极和第二电极，以测量电特征，例如，电压或电流。另外，可在离线检测的相同类型电极表面(即，阴极表面)上，将传感器测量的电特征与已知生物膜组成的电特征（例如，电压）相比以确定存在的生物膜的类型。
在一些实施方案中，氧与部分被生物膜包覆的电极(即，生物阴极)的接触的存在可干扰传感器输出。氧会导致异常大的电压输出，因为氧具有很大的标准还原电位(+0.818V)。如果电极完全被生物膜包覆，则由于生物膜聚生体的外层中需氧生物膜细胞消耗氧，电极表面可能仍在生物膜下无氧。在一个实施方案中，可向介质加入氧清除剂除氧，例如半胱氨酸。在另一个实施方案中，如果怀疑传感器经受氧干扰，可通过用氮喷射或氧清除化学物质除氧，离线进行电特征的测量。
在其它实施方案中，生物阴极类型传感器中的阳极可由生物膜积累变得污染。在大多数情况下，阳极污染基本不影响传感器工作。然而，为了维护，可定期清洗阳极。在阳极污染成为问题的情况下，可用膜覆盖阳极，例如0.1微米微滤膜或大孔超滤膜(例如，UF 100,000)，以阻挡微生物及其孢子，同时仍允许离子物类扩散通过。在一些实施方案中，可使用离子交换膜。另外，向下放置阳极表面可能有时减慢生物膜积累。
现在参考图10，图10显示生物膜点式传感器的实施方案。该具体实施方案用于检测金属结构(例如，金属储槽)上的产电性生物膜。如图10中所见，生物膜在金属结构的表面上形成，作为传感器的第二电极(即，阴极)工作。第一电极(即，阳极)可选自钽/五氧化二钽电极、银/硫化银电极、离子选择性电极和离子选择性场效应晶体管。第一电极通过外电路电连接到第二电极。外电路可包括电阻器或电测量装置，例如多用电表、高阻抗伏特计或低(或零)电阻安培计，仅举数例。在第一电极位置很接近生物膜时，产生电特征，例如电压，其相应于生物膜下第二电极上发生的还原反应类型。如果第一电极位置离开生物膜太远，则内阻(即，介质中的离子传输电阻)造成的浓度过电势将导致电压接近0。因此，传感器可以能够查明具有产电性生物膜的金属结构表面上的点，即使生物膜不完全覆盖金属结构的表面。
现在参考图11，图11显示投入式生物膜传感器模块。在此实施方案中，传感器包括室，室至少部分包围至少一个第一电极，室可放入包含至少一种介质的结构，例如储槽、或管线的盲管段、或怀疑有生物膜污染的任何地方。室可以为可渗透的，或者可包括开口，以允许进入室的内部，以便包含微生物的介质可进入室。此具体实施方案良好适用于检测怀疑包含具有能够形成腐蚀性生物膜的产电性微生物的介质的分批单元(例如，水塔、冷却塔、储槽或污水池)中的产电性生物膜。在将传感器模块降低进入或悬浮进入介质并使生物膜有足够时间(数小时至数天)至少部分包覆第一电极后，可取回传感器模块。由生物膜至少部分包覆的第一电极可用作阴极，而新插入的第二电极(例如，钽/五氧化二钽电极)可用作阳极。然后，可通过外电路（例如伏特计或安培计或基站）电连接第一电极和第二电极，以确定是否产生可持续电特征，这将指示产电性生物膜的存在。基站可以是能够精确测量不同电特征并且能够记录、储存和/或写入测量数据的便携式装置。例如，基站可记录电压和电流输出数据，并将输出数据写入存储装置，例如存储卡。
现在参考图12，图12显示无源检测产电性和腐蚀性生物膜的传感器的另外的实施方案。在此实施方案中，传感器为阵列形式，用于筛选不同介质以确定介质是否包含能够形成腐蚀性生物膜的产电性微生物。如图12中所见，传感器可进一步包括具有多个顶板孔的顶板和具有多个底板孔的底板。多个顶板孔的每一个包括具有第一电极引线的第一电极(即，阳极)。每个第一电极可选自钽/五氧化二钽电极、银/硫化银电极、离子选择性电极和离子选择性场效应晶体管。与顶板类似，多个底板孔的每一个包括具有第二电极引线的第二电极(即，阴极)。第二电极可选自石墨、金属和金属合金。将能够在第二电极上形成生物膜的至少一种介质引入多个底板孔的每一个。在介质引入多个底板孔的每一个后，底板可经无氧培养，以允许在第二电极上形成生物膜。顶板构造成与底板连通，使得多个顶板孔之一中的第一电极与底板孔之一中包含的至少一种介质接触。在第一电极引线和相应的第二电极引线通过外电路电连接时产生的可持续电特征(例如，电压或电流)指示存在产电性并因此为腐蚀性的生物膜。如前所述，测量的电流与生物膜的MIC侵蚀性相关，而电压输出可用于指示生物膜的存在，甚至指示生物膜的类型。另外，基于生物膜覆盖的阴极表面积的电流密度为生物膜产电能力的度量。该测量特别可用于筛选不同的产电性生物膜，以确定最佳微生物用于微生物燃料电池装置。
图12中所示的实施方案有数个优点。首先，不需要昂贵的质子交换膜(例如，NafionTM膜)来挡隔多个怀疑形成生物膜的液体样品。其次，如果使用非腐蚀性阴极(例如，石墨和不锈钢)，顶板和底板可经受压热以灭菌。板也可在清洗后重复使用，且足够便宜可一次性使用。另外，传感器阵列方便使用，并且可实地部署。传感器阵列还提供相对于目前可得的试剂盒(例如，SRB试剂盒)的优势，因为传感器阵列可直接检测产电性生物膜及其腐蚀能力。
无源检测腐蚀性生物膜的示例性方法包括以下概要步骤：a)使第一电极暴露于包含能够形成生物膜的微生物的至少一种介质；b)允许在第一电极的至少一部分上形成生物膜；c)使在其至少一部分上形成有生物膜的第一电极电连接到第二电极；和d)检测由电连接的第一电极和第二电极产生的电特征，以确定生物膜是否为产电性。
如前所述，第一电极和第二电极可作为阳极或作为阴极工作。出于讨论以上介绍的示例性方法中的步骤的目的，第一电极作为阴极工作，而第二电极作为阳极工作。因此，在一个实施方案中，第一电极选自石墨、金属和金属合金，第二电极选自钽/五氧化二钽电极、银/硫化银电极、离子选择性电极和离子选择性场效应晶体管。
测量电特征的步骤可通过用电测量装置完成，例如多用电表、高阻抗伏特计或低(或零)电阻安培计，仅举数例。如前讨论，电特征可包括电压和电流至少之一。在一个具体实施方案中，通过用高阻抗伏特计使在其一部分上形成有生物膜的第一电极电连接到第二电极，可同时进行示例性方法的步骤c)和d)。在另一个实施方案中，通过用零电阻安培计使在其一部分上形成有生物膜的第一电极电连接到第二电极，可同时进行示例性方法的步骤c)和d)。
在另一个实施方案中，方法可进一步包括以下步骤：将测量的电特征与和已知的腐蚀性生物膜组成相关的电特征相比较，以确定存在的腐蚀性生物膜的类型。例如，可将测量的电压与已知的腐蚀性生物膜组成的电压比较，与已知生物膜电压类似的测量电压指示存在的生物膜的类型。类似地，测量电流可与存在的生物膜的侵蚀性相关，如以上详细讨论。
在一个另外的实施方案中，在步骤b)之后和步骤c)之前，示例性方法可进一步包括以下步骤：i)从包含能够形成生物膜的微生物的至少一种介质中移出在其一部分上形成有生物膜的第一电极；和ii)将在其一部分上形成有生物膜的第一电极和第二电极放入不同于包含能够形成生物膜的微生物的所述至少一种介质的介质。在此具体实施方案中，生物膜可在线形成于第一电极上，随后，可移出第一电极及其生物膜，并在包含不同介质的离线传感器中或在在线传感器中试验产电性，例如图5和6中所示，这使不同介质引入传感器。
提供本说明以描述用于无源检测产电性并因此为腐蚀性的生物膜的预期方法和装置的范围。然而，先前描述的方法和装置可按不同形式体现，并且这些方法和装置不应解释为限于先前所述的实施方案。更确切地说，提供这些实施方案使得本公开彻底和完全，并且对本领域的普通技术人员充分传达所述方法和装置的范围。
实施例
产电性生物膜的形成。为了方便，用具有NafionTM质子交换膜(PEM)的现有双室微生物燃料电池(MFC)形成产电性生物膜，如图13中所见。在MFC中，阳极为钽/五氧化二钽(Ta/Ta2O5)电极，阴极为石墨电极。钽/五氧化二钽电极通过包括1kΩ电阻器的外电路电连接到石墨电极。阳极室中的介质为蒸馏水，同时用没有乳酸根和柠檬酸根的200ml脱氧和热压处理的ATCC 1249介质来填充阴极室。为了保持阴极室无氧，向阴极室介质加入100ppm半胱氨酸(氧清除剂)。无氧阴极室用普通脱硫弧菌(ATCC 7757)接种，这是一种普通的SRB株。刚接种后的SRB细胞浓度为约106个细胞/ml。通过电连接两个电极，促进石墨电极上的固着细胞利用阳极(钽/五氧化二钽电极)提供的电子。这促进生物膜的产电性。
三天后，在石墨电极上形成建立的SRB生物膜。生物膜将阳极通过外电路提供的电子用于阴极室中硫酸根氧化。从MFC采收部分被生物膜包覆的两个相同石墨电极。用脱氧MgSO4溶液(0.2%重量/重量，在ATCC 1249介质中)清洗两个石墨电极，以去除松散附着的浮游生物细胞。用4%(重量/重量)戊二醛处理一个石墨阴极8小时，以杀灭生物膜细胞。利用正氮气压力，在手套箱中进行这些操作，以防止氧污染。
试验产电性。现在参考图14，图14显示用于无源检测生物膜的产电性和由此的腐蚀性的传感器的实施方案。将从图13的MFC采收的被生物膜部分包覆的石墨阴极移出，并通过具有1kΩ负载的外电路电连接到钽/五氧化二钽(Ta/Ta2O5)阳极。用Gamry PC3TM恒电位仪测量跨外部负载的电压输出。介质包括脱氧硫酸镁(MgSO4)溶液。传感器不需要质子交换膜。用两个对照阴极与部分被生物膜包覆的石墨阴极比较。一个对照阴极为从未暴露于SRB的石墨电极，而另一个为部分被生物膜包覆的石墨电极，随后通过施加上述戊二醛杀灭所述生物膜。
结果。图15显示使用不同石墨阴极在三个单独测量中的电压输出响应(毫伏)相对于时间(千秒)。结果表明，在石墨阴极上没有活的生物膜，则电压输出相对快速地向零衰减。这是因为非催化石墨阴极不能用由阳极通过外电路提供的电子进行硫酸根还原。相反，带有石墨阴极上的活的产电性SRB生物膜，则石墨阴极上的硫酸根还原通过利用由Ta/Ta2O5阳极经外电路提供的电子的产电性SRB生物膜来进行。在活的生物膜的情况下，电压输出增加，然后开始缓慢减小。电压输出在300mV至400mV之间，其足够大以用于生物膜检测。由于活化过电势和浓度过电势的损失，此电压小于从Ta/Ta2O5阳极(在pH 7下对于还原为-0.750V，或在pH 7下对于氧化为0.750V)和硫酸根还原生物阴极(-0.217V)的标准电位计算的理论电压(~0.533V)。另外，跨外部负载取得电压测量结果，该负载的电阻小于图14中包括内阻和外部负载的电池总电阻。

Claims (19)

1.一种无源检测腐蚀性生物膜的方法，所述方法包括以下步骤：
a)使第一电极暴露于包含能够形成生物膜的微生物的至少一种介质；
b)允许在第一电极的至少一部分上形成生物膜；
c)使在其至少一部分上形成有生物膜的所述第一电极电连接到第二电极；和
d)测量由电连接的第一电极和第二电极产生的电特征，以确定生物膜是否为产电性。
2.权利要求1的方法，其中电特征包括电压和电流至少之一。
3.权利要求1的方法，其中所述第一电极选自石墨、金属和金属合金，第二电极选自钽/五氧化二钽电极、银/硫化银电极、离子选择性电极和离子选择性场效应晶体管。
4.权利要求1的方法，其中所述生物膜包含至少一种产电性微生物。
5.权利要求1的方法，其中在步骤b)之后和步骤c)之前，所述方法进一步包括以下步骤：
i)从包含能够形成生物膜的微生物的所述至少一种介质中移出在其一部分上形成有生物膜的所述第一电极；
ii)将在其一部分上形成有生物膜的所述第一电极和所述第二电极放入不同于包含能够形成生物膜的微生物的所述至少一种介质的介质。
6.权利要求1的方法，其中通过用高阻抗伏特计使在其一部分上形成有生物膜的所述第一电极电连接到所述第二电极，同时进行步骤c)和d)。
7.权利要求1的方法，其中通过用伏特计/安培计组合电表使在其一部分上形成有生物膜的所述第一电极电连接到所述第二电极，同时进行步骤c)和d)。
8.权利要求1的方法，所述方法进一步包括以下步骤：将测量的电特征与和已知腐蚀性生物膜组成有关的电特征相比较，以确定存在的腐蚀性生物膜的类型。
9.一种用于无源检测腐蚀性生物膜的传感器，所述传感器包括：
a)至少一个第一电极；
b)至少一个第二电极；和
c)用于使所述第一电极电连接到所述第二电极的外电路；
其中所述第一电极和所述第二电极至少之一能够至少部分被生物膜包覆；并且
由此，在所述第一电极和所述第二电极电连接并暴露于至少一种介质时产生的可持续电特征指示所述生物膜为产电性。
10.权利要求9的传感器，其中所述第一电极选自钽/五氧化二钽电极、银/硫化银电极、离子选择性电极和离子选择性场效应晶体管，而所述第二电极选自石墨、金属和金属合金。
11.权利要求10的传感器，其中所述第二电极部分被所述生物膜包覆。
12.权利要求9的传感器，其中所述生物膜包含至少一种产电性微生物。
13.权利要求9的传感器，所述传感器进一步包括用于支承所述第一电极和所述第二电极至少之一的壳，所述壳构造用于与包含所述至少一种介质的结构接合，使得所述第一电极的至少一部分和所述第二电极的至少一部分暴露于所述至少一种介质。
14.权利要求9的传感器，所述传感器进一步包括包围所述第一电极的至少一部分和所述第二电极的至少一部分的室，所述室经构造，使得所述至少一种介质接触所述第一电极的被包围部分和所述第二电极的被包围部分。
15.权利要求9的传感器，所述传感器进一步包括：
具有多个顶板孔的顶板，其中所述多个顶板孔的每一个包括具有第一电极引线的第一电极，所述第一电极包含钽/五氧化二钽；
具有多个底板孔的底板，其中所述多个底板孔的每一个包括具有第二电极引线的第二电极，并且所述多个底板孔的每一个包含能够在所述第二电极上形成生物膜的至少一种介质；
所述顶板与所述底板连通，使得在所述多个顶板孔之一中的所述第一电极与包含在所述多个底板孔之一中的所述至少一种介质接触；并且
由此，在第一电极引线和相应的第二电极引线通过外电路电连接时产生的可持续电特征指示产电性生物膜存在。
16.权利要求9的传感器，其中所述第一电极和所述第二电极至少之一还包括防止生物膜附着并允许离子物类扩散的多孔涂层。
17.权利要求10的传感器，其中所述第一电极包括钽/五氧化二钽，所述第二电极部分被生物膜包覆，并且所述传感器不包括质子交换膜。
18.权利要求9的传感器，其中所述第一电极和所述第二电极至少之一还包括双板电极，所述双板电极具有与第二插板直接接触的第一金属板，且所述第一金属板包括多孔涂层，以覆盖所述第一金属板中不与所述第二插板直接接触的任何表面，以防止附着生物膜。
19.一种用于放置在结构内的投入式生物膜传感器模块，所述结构包含怀疑含有能够形成腐蚀性生物膜的微生物的至少一种介质，所述传感器模块包括：
室，所述室至少部分在该室内部包围至少一个第一电极，所述室经构造，使得所述至少一种介质进入内部，并接触所述至少一个第一电极，以允许在所述至少一个第一电极的至少一部分上形成生物膜；
其中使在其至少一部分上形成有生物膜的所述至少一个第一电极随后通过外电路电连接到至少一个第二电极；并且
由此，在所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极电连接并暴露于所述至少一种介质时产生的可持续电特征指示所述生物膜为产电性。
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