CN118655198B - 提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法和用途 - Google Patents
提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法和用途 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118655198B CN118655198B CN202411100762.9A CN202411100762A CN118655198B CN 118655198 B CN118655198 B CN 118655198B CN 202411100762 A CN202411100762 A CN 202411100762A CN 118655198 B CN118655198 B CN 118655198B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrochemical system
- heavy metal
- metal pollutants
- sensitivity
- acinetobacter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 113
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 title claims abstract description 77
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 title claims abstract description 77
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 title claims abstract description 43
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 51
- 241000589291 Acinetobacter Species 0.000 claims abstract description 49
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 12
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 claims abstract description 9
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 claims abstract description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 22
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 12
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 claims description 4
- 239000008103 glucose Substances 0.000 claims description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-M Butyrate Chemical compound CCCC([O-])=O FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-N Butyric acid Natural products CCCC(O)=O FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-M Propionate Chemical compound CCC([O-])=O XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 claims description 3
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 claims description 3
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 claims description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 claims description 3
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 claims description 3
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000008107 starch Substances 0.000 claims description 3
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 claims description 3
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 claims description 3
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 claims description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims description 2
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 15
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 15
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 11
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 3
- -1 sodium acetate) Chemical compound 0.000 description 3
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 3
- 241000132028 Bellis Species 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010170 biological method Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 231100000820 toxicity test Toxicity 0.000 description 2
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006391 Luria-Bertani Medium Substances 0.000 description 1
- 241000258242 Siphonaptera Species 0.000 description 1
- VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M Sodium acetate Chemical compound [Na+].CC([O-])=O VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000001479 atomic absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000009614 chemical analysis method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 229910052956 cinnabar Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000004940 physical analysis method Methods 0.000 description 1
- 238000005064 physico chemical analysis method Methods 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 239000001632 sodium acetate Substances 0.000 description 1
- 235000017281 sodium acetate Nutrition 0.000 description 1
- MFBOGIVSZKQAPD-UHFFFAOYSA-M sodium butyrate Chemical compound [Na+].CCCC([O-])=O MFBOGIVSZKQAPD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- JXKPEJDQGNYQSM-UHFFFAOYSA-M sodium propionate Chemical compound [Na+].CCC([O-])=O JXKPEJDQGNYQSM-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000004324 sodium propionate Substances 0.000 description 1
- 229960003212 sodium propionate Drugs 0.000 description 1
- 235000010334 sodium propionate Nutrition 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000004846 x-ray emission Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/02—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms
- C12Q1/025—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms for testing or evaluating the effect of chemical or biological compounds, e.g. drugs, cosmetics
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/308—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells at least partially made of carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
- C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
- C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Zoology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
本申请涉及生物传感器领域，具体公开了提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法和用途，该方法包括：（1）构建三电极电化学系统，电化学系统包括对电极、参比电极和工作电极，工作电极表面附着有贝氏不动杆菌BD4；（2）将电解液加入到电化学系统中，将电化学系统置于预设温度下，向电化学系统施加预设的恒电势，记录电化学系统的输出电流；（3）将待测重金属污染物加入到电化学系统中，记录电化学系统的输出电流；（4）计算水质的毒性系数。本申请首次采用贝氏不动杆菌BD4检测重金属污染物，提高了电化学系统检测重金属污染物的灵敏度，实现了微量重金属污染物的检测，使检测下限达到0.05mg/L。
Description
技术领域
本申请属于生物传感器技术领域，具体涉及一种提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法和用途。
背景技术
目前，水环境中重金属检测主要采用理化分析法，如原子吸收光谱法、X射线荧光光谱法等，具有特异性强、灵敏度高的特点。然而，理化分析方法通常需要昂贵的仪器设备、复杂的前处理过程和较长的检测周期，且不适用于现场快速检测。因此，生物学方法有望弥补理化分析法在重金属检测中的局限性。基于生物与环境相适应的原理，当水体中出现重金属污染物时会抑制生物的代谢活性，通过生物代谢水平的变化评估水体重金属污染物水平。利用生物学方法检测水体重金属污染物具有操作简单、响应迅速、成本较低等优点。生物学检测方法的核心是受试生物，常见的有鱼类、藻类、蚤类和细菌等，其中，以电化学活性微生物为受试生物的检测方法具有显著优势。
然而，该技术仍存在一些缺陷，最主要的是检测灵敏度较低，难以检测水体中微量的重金属污染物，无法满足我国现行的水环境质量标准。现有技术中，通过对制备好的生物传感器在上机测试之前进行毒性物质预刺激使传感器在测试重金属前达到一种对重金属污染物敏感的状态，从而提高对重金属污染物的灵敏度。但是这种毒性物质预刺激的方法不仅操作十分繁琐，需要额外增加毒性物质预刺激的处理，需摸索预刺激过程使用的毒性物质浓度、刺激时间以及刺激次数等关键参数，而且在刺激过程中需实时监测刺激过程中传感器电信号、计算电信号变化情况等，更重要的是这种预刺激处理的方法对重金属污染物的灵敏度的提高是有限的，无法通过预刺激处理使重金属检测限达到0.05mg/L。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的目的在于提出一种提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法和用途。本申请首次采用重金属敏感菌-贝氏不动杆菌BD4检测重金属污染物，提高了电化学系统检测重金属污染物的灵敏度，实现了微量重金属污染物的检测，使检测下限达到0.05 mg/L，并在0.05mg/L~0.5mg/L范围内对重金属检测具有良好的线性剂量-效应曲线关系。
在本申请的一个方面，本申请提出了一种提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法。根据本申请的实施例，所述方法包括：
（1）构建三电极电化学系统，所述电化学系统包括对电极、参比电极和工作电极，所述工作电极表面附着有贝氏不动杆菌BD4；
（2）将电解液加入到所述电化学系统中，将所述电化学系统置于预设温度下，向所述电化学系统施加预设的恒电势，记录所述电化学系统的输出电流I0；
（3）将待测重金属污染物加入到所述电化学系统中，记录所述电化学系统的输出电流，所述电化学系统在预设时间第t时的输出电流为It；
（4）根据公式（）计算水质的毒性系数IR，
。
根据本申请实施例的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法，通过构建以重金属敏感菌-贝氏不动杆菌BD4为受试生物的微生物电化学系统，显著提高了多种重金属的检测灵敏度，实现了微量重金属污染物的检测，使检测下限达到0.05 mg/L，并在0.05mg/L~0.5mg/L范围内对重金属检测具有良好的线性剂量-效应曲线关系。本申请首次公开了利用重金属敏感菌-贝氏不动杆菌BD4提高电化学活性微生物检测重金属污染物的灵敏度。与电化学活性微生物混菌相比，贝氏不动杆菌BD4对多种重金属污染物的响应灵敏度提高了7.6~12.8倍。同时，利用贝氏不动杆菌BD4实现微量重金属污染物检测的检测下限达到0.05 mg/L，比现有技术提高10倍左右。
另外，根据本申请上述实施例的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本申请的一些实施例中，在步骤（1）中，将无菌碳布置于培养基中，接种贝氏不动杆菌BD4，培养12小时~18小时，使所述贝氏不动杆菌BD4在碳布表面附着并形成生物膜，将附着生物膜的碳布作为所述电化学系统的工作电极。
在本申请的一些实施例中，在步骤（2）中，所述电解液包括5mmol/L~20mmol/L的碳源、5.80g/L~5.85g/L的NaCl、0.12g/L~0.13g/L的KCl、0.30g/L~0.31g/L的NH4Cl、6.05g/L~6.10g/L的NaH2PO4•2H2O、21.80g/L~21.85g/L的Na2HPO4•12H2O；所述碳源包括乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐、葡萄糖、蔗糖和可溶性淀粉中的至少一种。
在本申请的一些实施例中，在步骤（2）中，设所述预设温度为T，所述电化学系统在T±1℃范围内。
在本申请的一些实施例中，所述预设温度T为25℃~30℃。
在本申请的一些实施例中，在步骤（2）中，所述预设的恒电势为+0.2V~+0.5V。
在本申请的一些实施例中，在步骤（3）中，所述待测重金属污染物包括Zn2+、Tl+、Ni2+、Cu2+、Cd2+、Hg2+、As3+、Pb2+中的至少一种。
在本申请的一些实施例中，在步骤（3）中，所述待测重金属污染物在所述电化学系统中的浓度为0.05mg/L~0.5mg/L。
在本申请的一些实施例中，在步骤（4）中，当IR≥5%，判断水质有毒；当0≤IR＜5%，则判断水质无毒。
在本申请的第二个方面，本申请提出了一种以上实施例所述的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法在水体毒性检测中的用途。由此，能够实现水体中低浓度重金属的高灵敏、快速、低成本监测。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法的流程示意图。
图2为本申请实施例1的利用贝氏不动杆菌BD4检测8种重金属污染物抑制率对比图，其中，图2中的a~b为检测8种0.3mg/L的重金属污染物的It-t示意图，图2中的c~d为贝氏不动杆菌BD4和电化学活性微生物混菌检测8种0.3mg/L的重金属污染物抑制率对比图。
图3为本申请实施例1中利用贝氏不动杆菌BD4检测4种微量重金属污染物抑制率结果图，其中，图3a为贝氏不动杆菌BD4检测4种0.05mg/L的重金属污染物的It-t示意图，图3b为贝氏不动杆菌BD4检测4种0.05mg/L的重金属污染物抑制率柱形图。
图4为本申请实施例1的利用贝氏不动杆菌BD4检测Cd2+、Pb2+重金属污染物及其线性拟合结果示意图，其中图4a为利用贝氏不动杆菌BD4检测不同浓度Cd2+的It-t示意图，图4b为利用贝氏不动杆菌BD4检测不同浓度Pb2+的It-t示意图，图4c为利用贝氏不动杆菌BD4检测Cd2+的线性拟合结果示意图，图4d为利用贝氏不动杆菌BD4检测Pb2+的线性拟合结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
本申请是发明人基于以下问题提出的：
相关技术中，采用天然电化学活性微生物混菌来检测水体重金属污染物，但是，混菌的检测灵敏度较低，难以检测水体中微量的重金属污染物，无法满足现行的水环境质量标准。
发明人发现，采用对重金属污染物敏感的电化学活性微生物有望提高检测重金属污染物的灵敏度。这是因为电化学活性微生物检测重金属是基于重金属污染物对细菌的胁迫作用，而不同种类的微生物对重金属污染物抗性存在着差异。因此，利用对重金属污染物敏感的电化学活性微生物能够提高检测灵敏度，从而更有效地检测水体中的微量重金属污染物。
有鉴于此，在本申请的一个方面，本申请提出了一种提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法。根据本申请的实施例，上述方法包括：（1）构建三电极电化学系统，电化学系统包括对电极、参比电极和工作电极，工作电极表面附着有贝氏不动杆菌BD4；（2）将电解液加入到电化学系统中，将电化学系统置于预设温度下，向电化学系统施加预设的恒电势，记录电化学系统的输出电流I0；（3）将待测重金属污染物加入到电化学系统中，记录电化学系统的输出电流，电化学系统在预设时间第t时的输出电流为It；（4）根据公式（）计算水质的毒性系数IR，。
根据本申请实施例的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法，通过构建以重金属敏感菌-贝氏不动杆菌BD4为受试生物的微生物电化学系统，可以显著提高多种重金属的检测灵敏度，从而实现了微量重金属污染物的检测，使检测下限达到0.05 mg/L，并在0.05mg/L~0.5mg/L范围内对重金属检测具有良好的线性剂量-效应曲线关系。
本申请首次公开了利用重金属敏感菌-贝氏不动杆菌BD4提高电化学活性微生物检测重金属污染物的灵敏度。与电化学活性微生物混菌相比，贝氏不动杆菌BD4对多种重金属污染物的响应灵敏度提高了7.6~12.8倍。同时，利用贝氏不动杆菌BD4实现微量重金属污染物检测的检测下限达到0.05 mg/L，比现有技术提高10倍左右。
下面对本申请提出的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法进行详细说明：
具体地，参考附图1，上述提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法包括如下步骤：
S100：构建三电极电化学系统；
在该步骤中，构建三电极电化学系统，电化学系统包括对电极、参比电极和工作电极，工作电极附着有贝氏不动杆菌BD4。上述贝氏不动杆菌BD4购自美国标准生物品收藏中心，收藏编号为ATCC 33304。
根据本申请的一些具体实施例，构建三电极电化学系统，电化学系统的工作容积可以为50mL，其对电极可以为1cm×1cm铂片电极，参比电极可以为Ag/AgCl电极（0.205Vvs.标准氢电极）。
根据本申请的再一些具体实施例，在步骤S100中，将无菌碳布（例如2cm×2cm无菌碳布）置于培养基（例如Luria-Bertani培养基）中，接种贝氏不动杆菌BD4，振荡培养12小时~18小时，使贝氏不动杆菌BD4在碳布表面附着并形成生物膜，将附着生物膜的碳布作为电化学系统的工作电极。
S200：将电解液加入到电化学系统中，将电化学系统置于预设温度下，向电化学系统施加预设的恒电势，记录电化学系统的输出电流I0；
在该步骤中，将一定量的电解液（例如50mL电解液）加入到电化学系统中，将电化学系统置于预设温度下，采用恒电位仪向电化学系统施加预设的恒电势，以提供电压环境，进行电信号输出，记录电化学系统输出的稳定电流I0。
根据本申请的又一些具体实施例，在步骤S200中，电解液包括5mmol/L~20mmol/L的碳源、5.80g/L~5.85g/L的NaCl、0.12g/L~0.13g/L的KCl、0.30g/L~0.31g/L的NH4Cl、6.05g/L~6.10g/L的NaH2PO4•2H2O、21.80g/L~21.85g/L的Na2HPO4•12H2O；碳源包括乙酸盐（例如乙酸钠）、丙酸盐（例如丙酸钠）、丁酸盐（例如丁酸钠）、葡萄糖、蔗糖和可溶性淀粉中的至少一种。并且，上述电解液以水为溶剂。
根据本申请的又一些具体实施例，在步骤S200中，设预设温度为T，电化学系统在T±1℃范围内，即电化学系统需要处于恒温的环境下。
根据本申请的又一些具体实施例，预设温度T为25℃~30℃，例如预设温度T可以为25℃、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃等。当预设温度T为25℃时，则电化学系统在25±1℃范围内。
根据本申请的又一些具体实施例，在步骤S200中，预设的恒电势为+0.2V~+0.5V，例如可以为+0.2V、+0.3V、+0.4V、+0.5V等。
S300：将待测重金属污染物加入到电化学系统中，记录电化学系统的输出电流；
在该步骤中，将待测重金属污染物加入到电化学系统中，记录电化学系统的输出电流，电化学系统在预设时间第t时的输出电流为It。
根据本申请的又一些具体实施例，待测重金属污染物包括Zn2+、Tl+、Ni2+、Cu2+、Cd2 +、Hg2+、As3+、Pb2+中的至少一种，贝氏不动杆菌BD4对上述重金属污染物的响应灵敏度较高，与电化学活性微生物混菌相比，贝氏不动杆菌BD4对上述重金属污染物的响应灵敏度提高了7.6~12.8倍。
根据本申请的又一些具体实施例，在步骤S300中，待测重金属污染物在电化学系统中的浓度为0.05mg/L~0.5mg/L，例如可以为0.05mg/L、0.1mg/L、0.2mg/L、0.3mg/L、0.4mg/L、0.5mg/L等。本申请通过构建以重金属敏感菌-贝氏不动杆菌BD4为受试生物的微生物电化学系统，显著提高多种重金属的检测灵敏度，实现微量重金属污染物检测，检测下限达到0.05 mg/L，并在0.05mg/L~0.5mg/L范围内对重金属检测具有良好的线性剂量-效应曲线关系。
S400：根据公式计算水质的毒性系数IR。
在该步骤中，根据公式（）计算水质的毒性系数IR，
。
在本申请的实施例中，当IR≥5%，判断水质有毒；当0≤IR＜5%，则判断水质无毒。
在本申请的第二个方面，本申请提出了一种以上实施例所述的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法在水体毒性检测中的用途。由此，能够实现水体中低浓度重金属的高灵敏、快速、低成本监测。
下面详细描述本申请的实施例，需要说明的是下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。另外，如果没有明确说明，在下面的实施例中所采用的所有试剂均为市场上可以购得的，或者可以按照本文或已知的方法合成的，对于没有列出的反应条件，也均为本领域技术人员容易获得的。
实施例1
构建由工作电极、对电极和参比电极组成的电化学系统。工作电极、对电极和参比电极分别选用2cm×2cm的碳布（WOS1009，碳能科技股份有限公司）、1cm×1cm的铂片（Pt210，天津艾达恒晟科技有限公司）和标准Ag/AgCl电极（RO303，天津艾达恒晟科技有限公司；0.205V vs.标准氢电极），所有配件除参比电极外均利用高温高压灭菌，参比电极在75%酒精中浸泡过夜。将灭菌后的碳布电极置于Luria-Bertani（A507002-0250）培养基中，并接种贝氏不动杆菌BD4（购自美国标准生物品收藏中心，收藏编号为ATCC 33304）于25℃下过夜振荡培养16小时，使得微生物在碳布表面附着并形成生物膜，将附着生物膜的碳布作为电化学系统工作电极。各个配件准备完成后，在洁净工作台（SW-CJ-1F，苏净安泰）内完成组装。
将50mL无菌电解液加入到电化学系统，电解液中包括5.85g/L的NaCl、0.13g/L的KCl、0.31g/L的NH4Cl、6.08g/L的NaH2PO4•2H2O、21.83g/L的Na2HPO4•12H2O、10mmol/L葡萄糖。将电化学系统置于25℃恒温培养箱中（HPS-500，哈尔滨市东联电子技术开发有限公司），使用多通道恒电位仪（CHI1030C，上海辰华仪器有限公司）施加+0.5V电势（Vs.参比电极），记录电化学系统在毒性测试前20min的输出电信号，设电化学系统输出的稳定电流参数为I0。然后分别将8种待测重金属污染物（分别为Zn2+、Tl+、Ni2+、Cu2+、Cd2+、Hg2+、As3+、Pb2+）各自独立地加入到平行的各电化学系统中以及各自独立地将不同浓度的同种重金属污染物加入到平行的各电化学系统中，持续记录电化学系统输出电流20min，记录第20min时的电化学系统的电流为It。通过公式（）计算IR，评价重金属污染物对贝氏不动杆菌BD4输出电流的抑制程度。
对比例1
本对比例与实施例1的方法基本相同，区别仅在于：
采用电化学活性微生物混菌替代贝氏不动杆菌BD4。
图2为本申请实施例1中利用贝氏不动杆菌BD4检测8种重金属污染物抑制率对比图，其中，图2中的a~b为检测8种0.3mg/L的重金属污染物的It-t示意图，图2中的c~d为贝氏不动杆菌BD4和电化学活性微生物混菌检测8种0.3mg/L的重金属污染物抑制率对比图。
从图2中的a~b中可以看出，准备毒性测试前20min内，电化学系统的输出电流基本稳定，具体而言，在前20min时间内，电化学系统输出电流波动不超过2%，这表明贝氏不动杆菌BD4在水体水质正常条件下，可以稳定地输出电流。在第20min时，向平行的各电化学系统中各自独立地加入0.3mg/L各重金属污染物后，贝氏不动杆菌BD4的输出电流明显下降，这表明利用贝氏不动杆菌BD4可以有效实现重金属污染物检测。
从图2中的c~d中可以看出，当贝氏不动杆菌BD4暴露在0.3mg/L Zn2+、Tl+、Ni2+、Cu2 +环境中20min后（即图2a的第40min时），电流抑制率分别为18.1%、47.4%、21.2%、24.3%，而相同重金属污染物暴露20min后的混菌，其电信号抑制率仅为1.8%、3.8%、2.8%、3.1%（如图2c所示）；同样的，当贝氏不动杆菌BD4暴露在0.3mg/L Cd2+、Hg2+、As3+、Pb2+环境中20min后（即图2b的第40min时），电流抑制率分别为36.7%、53.1%、41.5%、30.1%，而相同重金属污染物暴露20min后的混菌，其电信号抑制率为3.6%、4.7%、3.7%、3.1%（如图2d所示）。
图3为本申请实施例1中利用贝氏不动杆菌BD4检测4种微量重金属污染物抑制率结果图，其中，图3a为贝氏不动杆菌BD4检测4种0.05mg/L的重金属污染物的It-t示意图，图3b为贝氏不动杆菌BD4检测4种0.05mg/L的重金属污染物抑制率柱形图。
从图3b中可以看出，当贝氏不动杆菌BD4暴露在0.05mg/L Cd2+、Pb2+、Hg2+、Tl+环境中20min后（即图3a的第40min时），电流抑制率分别为7.6%、6.4%、10.1%、8.6%。
图4为本申请实施例1中利用贝氏不动杆菌BD4检测Cd2+、Pb2+重金属污染物及其线性拟合结果示意图，其中图4a为利用贝氏不动杆菌BD4检测不同浓度Cd2+的It-t示意图，图4b为利用贝氏不动杆菌BD4检测不同浓度Pb2+的It-t示意图，图4c为利用贝氏不动杆菌BD4检测Cd2+的线性拟合结果示意图，图4d为利用贝氏不动杆菌BD4检测Pb2+的线性拟合结果示意图。
从图4a中可以看出，当贝氏不动杆菌BD4暴露在0.05mg/L Cd2+环境中20min后（即图4a的第40min时），电流抑制率达到7.6%；当Cd2+浓度增加到0.1 mg/L、0.3 mg/L和0.5 mg/L时，电流抑制率分别为15.7%、36.7%、55.3%，经计算利用贝氏不动杆菌BD4检测Cd2+污染物的灵敏度为104.2%(mg/L)-1（如图4c所示）。同样的，从图4b中可以看出，当贝氏不动杆菌BD4暴露在0.05mg/L Pb2+环境中20min后（即图4b的第40min时），电流抑制率达到6.4%；当Pb2+浓度增加到0.1 mg/L、0.3 mg/L和0.5 mg/L时，电流抑制率分别为15.5%、30.1%、44.2%。经计算利用贝氏不动杆菌BD4检测Pb2+污染物的灵敏度为80.0%(mg/L)-1（如图4d所示）。
综合上述结果，充分说明了利用贝氏不动杆菌BD4可以显著提高多种重金属的检测灵敏度，相较于电化学活性微生物混菌，其抑制率分别提高了7.6~12.8倍；同时，利用贝氏不动杆菌能够实现微量重金属污染物检测，检测下限达到0.05 mg/L，并在0.05mg/L~0.5mg/L范围内对重金属检测具有良好的线性剂量-效应曲线关系。因此，该方法能够适用于水体重金属污染物的检测，弥补现有电化学活性微生物检测技术在重金属检测应用中的缺陷。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法，其特征在于，包括：
（1）构建三电极电化学系统，所述电化学系统包括对电极、参比电极和工作电极，所述工作电极表面附着有贝氏不动杆菌BD4；
（2）将电解液加入到所述电化学系统中，将所述电化学系统置于预设温度下，向所述电化学系统施加预设的恒电势，记录所述电化学系统的输出电流I0；
（3）将待测重金属污染物加入到所述电化学系统中，记录所述电化学系统的输出电流，所述电化学系统在预设时间第t时的输出电流为It；
（4）根据公式（I）计算水质的毒性系数IR，
（I）；
在步骤（3）中，所述待测重金属污染物在所述电化学系统中的浓度为0.05mg/L~0.5mg/L；
在步骤（1）中，将无菌碳布置于培养基中，接种贝氏不动杆菌BD4，培养12小时~18小时，使所述贝氏不动杆菌BD4在碳布表面附着并形成生物膜，将附着生物膜的碳布作为所述电化学系统的工作电极；
在步骤（2）中，所述电解液包括5mmol/L~20mmol/L的碳源、5.80g/L~5.85g/L的NaCl、0.12g/L~0.13g/L的KCl、0.30g/L~0.31g/L的NH4Cl、6.05g/L~6.10g/L的NaH2PO4•2H2O、21.80g/L~21.85g/L的Na2HPO4•12H2O。
2.根据权利要求1所述的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法，其特征在于，所述碳源包括乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐、葡萄糖、蔗糖和可溶性淀粉中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法，其特征在于，在步骤（2）中，设所述预设温度为T，所述电化学系统在T±1℃范围内。
4.根据权利要求3所述的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法，其特征在于，所述预设温度T为25℃~30℃。
5.根据权利要求1所述的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述预设的恒电势为+0.2V~+0.5V。
6.根据权利要求1所述的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述待测重金属污染物包括Zn2+、Tl+、Ni2+、Cu2+、Cd2+、Hg2+、As3+、Pb2+中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法，其特征在于，在步骤（4）中，当IR≥5%，判断水质有毒；当0≤IR＜5%，则判断水质无毒。
8.一种权利要求1~7中任一项所述的提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法在水体毒性检测中的用途。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202411100762.9A CN118655198B (zh) | 2024-08-12 | 2024-08-12 | 提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法和用途 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202411100762.9A CN118655198B (zh) | 2024-08-12 | 2024-08-12 | 提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法和用途 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118655198A CN118655198A (zh) | 2024-09-17 |
| CN118655198B true CN118655198B (zh) | 2024-12-03 |
Family
ID=92700030
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202411100762.9A Active CN118655198B (zh) | 2024-08-12 | 2024-08-12 | 提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法和用途 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118655198B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119915874A (zh) * | 2025-03-31 | 2025-05-02 | 广东盈峰科技有限公司 | 多层电化学活性生物膜及制备方法和微生物电化学传感器 |
| CN119959325B (zh) * | 2025-04-09 | 2025-07-25 | 广东盈峰科技有限公司 | 微生物电化学传感器及其制备方法和应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116818866A (zh) * | 2023-06-29 | 2023-09-29 | 北京理工大学 | 一种即时检测水质生物毒性的方法及系统 |
| CN117448415A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-01-26 | 广东盈峰科技有限公司 | 地下水水质生物毒性在线监测方法、系统和用途 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111948271B (zh) * | 2020-07-24 | 2022-07-12 | 北京航空航天大学 | 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 |
| CN113358722B (zh) * | 2021-04-12 | 2022-08-02 | 北京航空航天大学 | 一种基于悬浮态电化学活性微生物实现水质毒性快速检测的方法 |
-
2024
- 2024-08-12 CN CN202411100762.9A patent/CN118655198B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116818866A (zh) * | 2023-06-29 | 2023-09-29 | 北京理工大学 | 一种即时检测水质生物毒性的方法及系统 |
| CN117448415A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-01-26 | 广东盈峰科技有限公司 | 地下水水质生物毒性在线监测方法、系统和用途 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN118655198A (zh) | 2024-09-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN118655198B (zh) | 提高电化学系统检测重金属污染物灵敏度的方法和用途 | |
| Bao et al. | 3D graphene/copper oxide nano-flowers based acetylcholinesterase biosensor for sensitive detection of organophosphate pesticides | |
| Zen et al. | Multianalyte sensor for the simultaneous determination of hypoxanthine, xanthine and uric acid based on a preanodized nontronite-coated screen-printed electrode | |
| Hu et al. | Simultaneous determination of lead (II) and cadmium (II) at a diacetyldioxime modified carbon paste electrode by differential pulse stripping voltammetry | |
| CN113358722B (zh) | 一种基于悬浮态电化学活性微生物实现水质毒性快速检测的方法 | |
| Mao et al. | Electrochemical nitric oxide sensors based on electropolymerized film of M (salen) with central ions of Fe, Co, Cu, and Mn | |
| CN103940883B (zh) | 可快速检测水体生物毒性的一次性微生物膜传感器的制备方法、应用、装置及检测方法 | |
| Yüce et al. | A voltammetric Rhodotorula mucilaginosa modified microbial biosensor for Cu (II) determination | |
| Liu et al. | Direct toxicity assessment of toxic chemicals with electrochemical method | |
| Diehl-Faxon et al. | Direct electron transfer based tri-enzyme electrode for monitoring of organophosphorus pesticides | |
| JP2021525371A (ja) | ゲニピンを含む電気化学的センサのセンシング膜または拡散制御膜の製造用架橋剤 | |
| Chen et al. | A novel approach based on ferricyanide-mediator immobilized in an ion-exchangeable biosensing film for the determination of biochemical oxygen demand | |
| Collier et al. | Measurement of soluble L-lactate in dairy products using screen-printed sensors in batch mode | |
| Tothill et al. | Monitoring of the glucose concentration during microbial fermentation using a novel mass-producible biosensor suitable for on-line use | |
| Dorward et al. | Acute toxicity screening of water pollutants using a bacterial electrode | |
| Su∗ et al. | AP-GOD biosensor based on a modified poly (phenol) film electrode and its application in the determination of low levels of phosphate | |
| Zhang | Monitoring athlete health and performance using an electrochemical sensor based on zinc oxide nanorods | |
| Yüce et al. | Utilization of heat-dried Pseudomonas aeruginosa biomass for voltammetric determination of Pb (II) | |
| Kumar et al. | Fabrication and characterization of Meldola's blue/zinc oxide hybrid electrodes for efficient detection of the reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide at low potential | |
| CN104007154B (zh) | 一种氧化还原水溶胶、用于水体生物毒性快速检测的一体化微生物电极的制备方法及应用 | |
| US20030136673A1 (en) | Amperometric sensors using synthetic substrates based on modeled active-site chemistry | |
| Moyo et al. | Optimization of horseradish peroxidase immobilization on glassy carbon electrode based on maize tassel-multiwalled carbon nanotubes for sensitive copper (II) ion detection | |
| Ariyanti et al. | Electrochemical Bacillus licheniformis whole-cell-based sensor and its potential application in detecting urea concentration in urine | |
| Palleschi et al. | Amperometric probe for 3-hydroxybutyrate with immobilized 3-hydroxybutyrate dehydrogenase | |
| Mizutani et al. | Use of Polydimethylsiloxane for Constructing Amperometric Glucose‐Sensing Enzyme Electrode with Low Interference Level |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |