CN111948271B - 一种调控电极电势强化微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调控电极电势强化微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的方法，该方法利用微生物电化学水质生物毒性检测系统，连续通入待测水体水样并采集记录微生物电化学水质生物毒性检测系统的输出电流，通过施加恒定工作电极电势，计算微生物电化学水质生物毒性检测系统的常规电子输出损失率，初步判断水体水质生物毒性并相应发出水质生物毒性预警信号，在发出预警信号后，通过线性增加和减少工作电极电势，计算微生物电化学水质生物毒性检测系统的极限电子输出损失率，最终确认水体水质生物毒性并相应发出生物毒性报警信号；该方法提高了微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于水质生物毒性监测技术领域，具体涉及一种调控电极电势强化微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的方法。
背景技术
水污染问题是当前我国面临的重要环境问题之一。水质监测工作是评价水污染治理效果、追踪污染物去向、预警水体污染事件的必要手段之一，对保障水体生态安全和城乡供水安全都具有重要意义。从水质监测技术的发展趋势来看，实现水质在线自动监测有利于降低传统监测过程中的人力消耗，减少实验室分析测试时间，有利于环保部门及时获取实时监控数据。目前，我国可连续自动监测的水质项目主要有水温、pH值、电导率等常规参数和氯化物、氟化物等特征污染物，还缺乏一个能够反映水样对生物毒害的监测指标。近年来，能够反映水体生态系统综合安全的生物毒性指标的在线监测受到了越来越多的关注，我国已在部分监测站点试点建立了基于大型蚤、鱼类、发光细菌的“水质安全生物预警系统”，但这些技术还存在着检测时间较长，检测费用较高等问题。相比之下，基于微生物电化学系统的监测技术具有更加简便、快速的优势。
利用微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的原理是毒性污染物会抑制电化学活性微生物的呼吸代谢，从而影响其胞外电子传递过程，使微生物电化学系统的电信号发生变化，跟踪微生物电化学系统的电信号的变化可以实现水体水质生物毒性的在线监测。在微生物电化学系统中，电化学活性微生物一般会形成生物膜附着在电极上，保障了微生物在检测过程中不会因连续进样检测而流失，但生物膜中含有的胞外聚合物成分在一定程度上限制了电化学活性微生物对毒性污染物的灵敏度，使基于微生物电化学系统的监测技术的灵敏度低于传统物理化学监测技术。因此，强化微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的灵敏度对于推广其实际应用具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种调控电极电势强化微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的方法。该方法通过调控电极电势，可以去除补偿电流的影响，调控电化学活性微生物形成生物膜的特质及分泌胞外聚合物的能力，改变电极生物膜的电化学特征，从而提高微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的灵敏度。
本发明提供的一种调控电极电势强化微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的方法，其特征在于该方法利用微生物电化学水质生物毒性检测系统，连续通入待测水体水样并采集记录微生物电化学水质生物毒性检测系统的输出电流，通过施加恒定工作电极电势，计算微生物电化学水质生物毒性检测系统的常规电子输出损失率，初步判断水体水质生物毒性并相应发出水质生物毒性预警信号，在发出预警信号后，通过线性增加和减少工作电极电势，计算微生物电化学水质生物毒性检测系统的极限电子输出损失率，最终确认水体水质生物毒性并相应发出生物毒性报警信号；所述微生物电化学水质生物毒性检测系统包括相连接的控制系统(1)和三电极微生物电化学系统(6)，控制系统(1)由恒电位控制模块(2)、线性电位控制模块(3)、电流采集模块(4)和分析计算模块(5)组成，三电极微生物电化学系统(6)由工作电极(7)、参比电极(9)和对电极(10)组成，其中工作电极(7)表面附有具有电化学活性的生物膜(8)；该方法实施包含以下步骤：
1)利用三电极微生物电化学系统(6)检测标准水样，恒电位控制模块(2)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加0V的恒定电极电势，所述施加电势为相对于参比电极(9)的电势值，电流采集模块(4)实时记录连续通入标准水样的三电极微生物电化学系统(6)的电流信号，记录的电流信号传输至分析计算模块(5)，用于后续计算分析，然后线性电位控制模块(3)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极施加线性增加和线性减少的电极电势，电流采集模块(4)实时记录连续通入标准水样的三电极微生物电化学系统(6)的电流信号，记录的电流信号传输至分析计算模块(5)用于后续计算分析；
2)利用三电极微生物电化学系统(6)检测待测水样，恒电位控制模块(2)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加0V的恒定电极电势，所述施加电势为相对于参比电极(9)的电势值，电流采集模块(4)实时记录连续通入待测水体水样的三电极微生物电化学系统(6)的电流信号，记录的电流信号传输至分析计算模块(5)，分析计算模块(5)进而根据公式(1)计算三电极微生物电化学系统(6)的常规电子输出损失率ηC，初步判断水体水质生物毒性并相应发出水质生物毒性预警信号：
ηC＝|(Ic1-Ic0)/Ic0|×100 (1)
其中，Ic1为恒电位控制模块(2)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加恒定电极电势时连续通入待测水体水样的三电极微生物电化学系统(6)第15min的电流信号，Ic0为恒电位控制模块(2)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加恒定电极电势时连续通入标准水样的三电极微生物电化学系统(6)第15min的电流信号，当ηC大于设定预警阈值ηCS时，分析计算模块(5)发出水质生物毒性预警信号，否则提示水质正常；
3)若发出预警信号，线性电位控制模块(3)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极施加线性增加和线性减少的电极电势，电势线性变化速率为0.1～50mV/s，电势线性增加的上限为1V，电势线性减少的下限为-1V，电流采集模块(4)实时记录连续通入待测水体水样的三电极微生物电化学系统(6)的电流信号，记录的电流信号传输至分析计算模块(5)，分析计算模块(5)进而根据公式(2)计算三电极微生物电化学系统(6)的极限电子输出损失率ηL，最终确认水体水质生物毒性并相应发出生物毒性报警信号：
ηL＝|(Il1-Il0)/Il0|×100 (2)
其中，Il1为线性电位控制模块(3)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加线性增加和线性减少的电极电势时连续通入待测水体水样的三电极微生物电化学系统(6)的极限电流值，Il0为线性电位控制模块(3)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加线性增加和线性减少的电极电势时连续通入标准水样的三电极微生物电化学系统(6)的极限电流值，对于具有从工作电极(7)捕获电子特征的生物膜(8)，极限电流值为电势处于线性减少下限时的电流值；对于具有向工作电极(7)传输电子特征的生物膜(8)，极限电流值为电势处于线性增加上限时的电流值，当ηL大于设定报警阈值ηLs时，分析计算模块(5)发出水质生物毒性报警信号，否则提示水质正常。
本发明取得了如下有益效果：通过常规电子输出损失率ηC和极限电子输出损失率ηL双重指标判断是否发生水体毒性污染事件，强化了微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的准确度。传统基于微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的方法一般采用追踪电流或电压变化的单一指标判断是否发生水体毒性污染事件，由于实际水体水样的组成复杂，水样中的多种离子及温度、pH等条件均可能影响电化学活性微生物的活性，从而干扰微生物电化学系统对水体水样中毒性污染物的检测，使检测存在可能产生假阳性判断的不足。本发明提供的检测方法，首先通过向工作电极施加恒定电极电势计算常规电子输出损失率ηC，然后通过向工作电极施加线性增加和线性减少的电极电势进一步计算极限电子输出损失率ηL，采用双重指标判断是否发生水体毒性污染事件，强化了微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的准确度。
附图说明
附图1是本发明提供的一种调控电极电势强化微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的方法的检测流程示意图。
附图2是本发明方法涉及的控制系统与三电极微生物电化学系统的组成示意图。
附图3是本发明提供的方法监测毒性污染事件时三电极微生物电化学系统的工作电极被施加恒定电极电势时电流信号图。
附图4是本发明提供的方法监测毒性污染事件时三电极微生物电化学系统的工作电极被施加线性增加和减少的电极电势时电流信号图。
附图标记说明：附图2中，1是控制系统，2是恒电位控制模块，3是线性电位控制模块，4是电流采集模块，5是分析计算模块，6是三电极微生物电化学系统，7是工作电极，8是工作电极7表面的具有电化学活性的生物膜，9是参比电极，10是对电极。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进行进一步地说明。应当指出，本发明的具体实施方式不局限于以下给出的实施例，基于本发明内容的技术方案也应纳入本发明所要求的的保护范围。
实施例1
本实施例中结合图2，给出了一种三电极微生物电化学系统6的构建与启动实例。
三电极微生物电化学系统6由一单室电解池构成，容积为50mL。工作电极7为热处理后的碳布电极，参比电极9为银|氯化银电极，对电极10为铂电极。控制系统1为一电化学工作站。三电极微生物电化学系统6的微生物种源为取自污水处理厂的活性污泥。标准水样的配方为0.82g/L NaAc、5.85g/L NaCl、0.13g/L KCl、0.31g/L NH4Cl、6.08g/L NaH2PO4·2H2O和21.83g/L Na2HPO4·12H2O。接种取自污水处理厂的活性污泥后，以标准水样连续运行三电极微生物电化学系统6，运行2周后，工作电极7表面附着了成熟的具有电化学活性的生物膜8，三电极微生物电化学系统6的电流信号达到稳定。
实施例2
本实施例中结合图3，说明本发明方法检测毒性污染事件实例。
本例中向标准水样中人工添加1.5mg/L Cd2+，将含有1.5mg/L Cd2+的标准水样作为待测水体水样，模拟毒性污染事件。检测时，恒电位控制模块2向以实施例1方式构建的三电极微生物电化学系统6的工作电极7施加0V的恒定电势。设定分析计算模块的预警阈值ηCS为10。
如图3所示，当向三电极微生物电化学系统6中连续通入标准水样时，电流采集模块4记录到三电极微生物电化学系统6的电流信号在通入标准水样后快速提高，并达到稳定，稳定电流信号为0.32mA。当向三电极微生物电化学系统6中连续通入待测水体水样时，电流采集模块4记录到三电极微生物电化学系统6的电流信号呈现不断降低趋势，在通入待测水体水样第15min时，分析计算模块5计算发现常规电子输出损失率ηC超过报警阈值ηCS，发出预警信号。
实施例3
本实施例中结合图4，说明本发明方法检测毒性污染事件实例。
本例中向标准水样中人工添加1.5mg/L Cd2+，将含有1.5mg/L Cd2+的标准水样作为待测水体水样，模拟毒性污染事件。检测时，线性电位控制模块3向以实施例1方式构建的三电极微生物电化学系统6的工作电极7施加线性增加和减少的电极电势，电势线性增加上限设为0.6V，电势线性减少下限设为-0.8V，电势线性变化速率为10mV/s。设定分析计算模块的报警阈值ηLS为10。
如图4所示，当向三电极微生物电化学系统6中连续通入标准水样时，电流采集模块4记录到三电极微生物电化学系统6的极限电流值为2.51mA。当向三电极微生物电化学系统6中连续通入待测水体水样时，电流采集模块4记录到三电极微生物电化学系统6的极限电流值为2.19mA。分析计算模块5计算发现极限电子输出损失率ηL超过设定阈值ηLS，发出报警信号。
Claims (4)
1.一种调控电极电势强化微生物电化学系统检测水体水质生物毒性的方法，其特征在于该方法利用微生物电化学水质生物毒性检测系统，连续通入待测水体水样并采集记录微生物电化学水质生物毒性检测系统的输出电流，通过施加恒定工作电极电势，计算微生物电化学水质生物毒性检测系统的常规电子输出损失率，初步判断水体水质生物毒性并相应发出水质生物毒性预警信号，在发出预警信号后，通过线性增加和减少工作电极电势，计算微生物电化学水质生物毒性检测系统的极限电子输出损失率，最终确认水体水质生物毒性并相应发出生物毒性报警信号；所述微生物电化学水质生物毒性检测系统包括相连接的控制系统(1)和三电极微生物电化学系统(6)，控制系统(1)由恒电位控制模块(2)、线性电位控制模块(3)、电流采集模块(4)和分析计算模块(5)组成，三电极微生物电化学系统(6)由工作电极(7)、参比电极(9)和对电极(10)组成，其中工作电极(7)表面附有具有电化学活性的生物膜(8)；该方法实施包含以下步骤：
1)利用三电极微生物电化学系统(6)检测标准水样，恒电位控制模块(2)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加0V的恒定电极电势，所述施加电势为相对于参比电极(9)的电势值，电流采集模块(4)实时记录连续通入标准水样的三电极微生物电化学系统(6)的电流信号，记录的电流信号传输至分析计算模块(5)，用于后续计算分析，然后线性电位控制模块(3)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极施加线性增加和线性减少的电极电势，电流采集模块(4)实时记录连续通入标准水样的三电极微生物电化学系统(6)的电流信号，记录的电流信号传输至分析计算模块(5)用于后续计算分析；
2)利用三电极微生物电化学系统(6)检测待测水样，恒电位控制模块(2)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加0V的恒定电极电势，施加电势为相对于参比电极(9)的电势值，电流采集模块(4)实时记录连续通入待测水体水样的三电极微生物电化学系统(6)的电流信号，记录的电流信号传输至分析计算模块(5)，分析计算模块(5)进而计算三电极微生物电化学系统(6)的常规电子输出损失率ηC，并与预设的常规电子输出损失率预警阈值ηCS进行比较，初步判断水体水质生物毒性并相应发出水质生物毒性预警信号；所述常规电子输出损失率ηC基于如下公式(1)计算得到：
ηC＝|(Ic1-Ic0)/Ic0|×100 (1)其中，Ic1为恒电位控制模块(2)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加恒定电极电势时连续通入待测水体水样的三电极微生物电化学系统(6)第15min的电流信号，Ic0为恒电位控制模块(2)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加恒定电极电势时连续通入标准水样的三电极微生物电化学系统(6)第15min的电流信号；
3)若发出预警信号，线性电位控制模块(3)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极施加线性增加和线性减少的电极电势，电流采集模块(4)实时记录连续通入待测水体水样的三电极微生物电化学系统(6)的电流信号，记录的电流信号传输至分析计算模块(5)，分析计算模块(5)进而计算三电极微生物电化学系统(6)的极限电子输出损失率ηL，并与预设的极限电子输出损失率报警阈值ηLS进行比较，最终确认水体水质生物毒性并相应发出生物毒性报警信号；所述极限电子输出损失率ηL基于如下公式(2)计算得到：
ηL＝|(Il1-Il0)/Il0|×100 (2)其中，Il1为线性电位控制模块(3)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加线性增加和线性减少的电极电势时连续通入待测水体水样的三电极微生物电化学系统(6)的极限电流值，Il0为线性电位控制模块(3)向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极(7)施加线性增加和线性减少的电极电势时连续通入标准水样的三电极微生物电化学系统(6)的极限电流值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，当ηC大于设定预警阈值ηCS时，分析计算模块(5)发出水质生物毒性预警信号；否则提示水质正常。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对于具有从工作电极(7)捕获电子特征的生物膜(8)，极限电流值为电势处于线性减少下限时的电流值；对于具有向工作电极(7)传输电子特征的生物膜(8)，极限电流值为电势处于线性增加上限时的电流值；当ηL大于设定报警阈值ηLs时，分析计算模块(5)发出水质生物毒性报警信号；否则提示水质正常。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性电位控制模块(3)在向三电极微生物电化学系统(6)的工作电极施加线性增加和线性减少的电极电势时，电势线性变化速率为0.1～50mV/s，电势线性增加的上限为1V，电势线性减少的下限为-1V。
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