一種用于污水處理水質(zhì)毒性預(yù)警的復(fù)合生物傳感器的制造方法
【專利摘要】一種用于污水處理水質(zhì)毒性預(yù)警的復(fù)合生物傳感器，屬于環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，包括氧電極信號(hào)轉(zhuǎn)換器，Pasco Cl?6542型氧電極系統(tǒng)，復(fù)合微生物載片,其工作原理是：利用天然纖維素作為硝化細(xì)菌菌群及過氧化氫酶的載體，采用固定技術(shù)，制備復(fù)合微生物膜，結(jié)合氧電極傳感器，制備一種新型的可拆式復(fù)合傳感器。將此種復(fù)合傳感器應(yīng)用于污水水質(zhì)毒性的監(jiān)測預(yù)警中，其能反應(yīng)污水的污染物毒性狀態(tài)、過氧化氫產(chǎn)生含量，同時(shí)兼顧污水處理系統(tǒng)的溶解氧、耗氧速率、過氧化氫酶活性狀態(tài)。污水毒性狀態(tài)的監(jiān)測預(yù)警將為污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行提供及時(shí)反饋，以便了解系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，做出相應(yīng)的調(diào)整。
【專利說明】
一種用于污水處理水質(zhì)毒性預(yù)警的復(fù)合生物傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]—種用于污水處理水質(zhì)毒性預(yù)警的復(fù)合生物傳感器，屬于環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及污水處理水質(zhì)毒性預(yù)警。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的迅速發(fā)展，微生物法儼然已成為水處理的研究熱點(diǎn)，但是工業(yè)廢水和生活污水給微生物處理系統(tǒng)帶來了很大的沖擊，對其水質(zhì)進(jìn)行毒性狀態(tài)鑒定十分有必要。由于污染物中具有毒性的成分復(fù)雜，直接利用傳統(tǒng)的理化特性分析不僅過程繁瑣，也不能全面地反映多種有毒物質(zhì)對環(huán)境的綜合影響。隨著微生物固定化技術(shù)和微生物傳感器的研究和發(fā)展，利用特定微生物活體及酶作為識(shí)別元件，其對污染物綜合毒性存在一定的響應(yīng)，此原理為污水水質(zhì)毒性預(yù)警指明了方向。
[0003]微生物傳感器是使用微生物活細(xì)胞或細(xì)胞碎片作為敏感元件與電化學(xué)換能器來制備生物傳感器的，其主要由兩部分組成:第一部分是微生物及酶，此膜是以微生物或酶與基質(zhì)以一定的方式固化形成;第二部分是信號(hào)轉(zhuǎn)換器(如氧電極、氣敏電極或離子選擇電極等)。微生物在利用物質(zhì)進(jìn)行呼吸或代謝的過程中，將消耗溶液中的溶解氧或產(chǎn)生一些電活性物質(zhì)。在微生物的數(shù)量和活性保持不變的情況下，其所消耗的溶解氧量或所產(chǎn)生的電活性物質(zhì)的量反映了被檢測物質(zhì)的量，再借助氣體敏感膜電極如溶解氧電極、氨電極、二氧化碳電極、或離子選擇電極如玻璃電極等檢測溶解氧和電活性物質(zhì)的變化，就可求得待測物質(zhì)的量，這是微生物傳感器的一般原理。
[0004]微生物固定化技術(shù)是從固定化酶技術(shù)發(fā)展起來的。微生物固定化技術(shù)指采用物理或化學(xué)的方法將游離微生物細(xì)胞或酶限定于一定空間區(qū)域內(nèi)，使其未游離于水，但仍保持活性，并可反復(fù)使用的微生物技術(shù)。一般的，微生物固定化方式分為自固定化和微生物人工強(qiáng)化固定。微生物自固定化主要有吸附法和共價(jià)結(jié)合法，微生物人工強(qiáng)化固定法有交聯(lián)法和包埋法。以天然纖維素為原料加工而成的微生物載體，具有親水和親生物性好、可降解、孔隙率高、比表面積大、孔徑適中、成本低廉的特點(diǎn)。
[0005]硝化菌在自然界的氮循環(huán)中起著非常重要的作用，它們可以通過硝化作用把氨氮化成硝酸鹽，反應(yīng)式主要如下:。硝化菌是專性好氧菌，易受到外界環(huán)境因素的影響，重金屬、農(nóng)藥、有機(jī)污染物等可以通過抑制硝化作用的酶類如氨單加氧酶、輕氨氧化酶、亞硝酸氧化酶而影響這一過程的進(jìn)行，這一特點(diǎn)常被用作毒性測試中。若污水中的毒物對硝化菌群產(chǎn)生毒性，則其呼吸速率將會(huì)減緩，相應(yīng)的耗氧速率隨著變慢。另外，過氧化氫酶是生物體內(nèi)一種重要的保護(hù)性氧化還原酶，能催化H2O2分解為H2O和02，在細(xì)胞中清除H2O2,使其不再進(jìn)一步產(chǎn)生毒性很大的羥基自由基，對生物體起保護(hù)作用，所以利用過氧化氫酶對過氧化氫的專屬分解性監(jiān)測污水中的毒物過氧化氫濃度具有理論可行性。
[0006]申請?zhí)朇N 102329744 A(2012.01)公開了異養(yǎng)型硝化細(xì)菌、包含其的生物傳感器、及檢測水體毒性的方法，該發(fā)明“采用原位多點(diǎn)采樣法篩選得到的四種異養(yǎng)型硝化細(xì)菌組合成復(fù)合菌劑指示劑，固定于載體上制成生物傳感器用于水體毒性的檢測。根據(jù)本發(fā)明的檢測水體毒性的方法，解決了生物毒性檢測連續(xù)在線監(jiān)測的難題，實(shí)現(xiàn)了快速檢測水體毒性，從而完成對重大環(huán)境污染事件風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別與監(jiān)控以及對飲用水、污水、河流、湖泊等水體的生物毒性檢測”。
[0007]申請?zhí)朇N 103512938 A(2014.01)公開了一種可用于即時(shí)監(jiān)測和檢測水體生物毒性的電化學(xué)傳感器及其裝置，該發(fā)明“包括工作電極、對電極、參比電極、電解池，所述工作電極為高分子固定的微生物電極，所述高分子固定的微生物電極為電極和包覆在電極外的高分子細(xì)菌混合層，所述高分子材料為明膠或殼聚糖，所述細(xì)菌為大腸桿菌和或酵母菌，所述電極為玻碳電極、金電極、鉑電極或硼摻雜金剛石薄膜電極。本發(fā)明還公開了可用于即時(shí)監(jiān)測和檢測水體生物毒性的電化學(xué)傳感器的裝置。本發(fā)明的電化學(xué)傳感器可即時(shí)監(jiān)測水體生物毒性的改變和檢測水體生物毒性大小，達(dá)到即時(shí)、在線、連續(xù)的檢測，具有分析靈敏度高、成本低廉、操作簡單、便于攜帶等特點(diǎn)”。
[0008]本發(fā)明提出一種復(fù)合生物傳感器的設(shè)計(jì)方法。此方法為:利用天然纖維素包埋固定高效硝化菌群及過氧化氫酶，制備出一種復(fù)合微生物及酶膜，并將其與溶解氧電極結(jié)合制成復(fù)合生物傳感器。此種復(fù)合生物傳感器可以同時(shí)檢測污水中污染物毒性及過氧化氫含量狀態(tài)，同時(shí)也可兼顧污水過氧化氫酶、溶解氧及耗氧速率的監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]傳統(tǒng)的污水監(jiān)測過程中，理化特性分析不僅過程繁瑣，也不能全面地反映多種有毒物質(zhì)對環(huán)境的綜合影響。本發(fā)明克服傳統(tǒng)方法的缺陷，發(fā)明一種用于污水處理水質(zhì)毒性預(yù)警的復(fù)合生物傳感器的制備方法，采用微生物固定化技術(shù)和微生物傳感器，利用特定微生物活體及酶作為識(shí)別元件，其對污染物綜合毒性存在一定的響應(yīng)，為污水水質(zhì)毒性預(yù)警提供了解決方案。
[0010]—種用于污水處理水質(zhì)毒性預(yù)警的復(fù)合生物傳感器，其特征在于，包括:氧電極信號(hào)轉(zhuǎn)換器，Pasco C1-6542型氧電極系統(tǒng)，復(fù)合微生物載片，其連接關(guān)系是:氧電極信號(hào)轉(zhuǎn)換器與氧電極系統(tǒng)固定連接，微生物載片固定在氧電極的表面，覆蓋在電極原有的氧氣透過性膜上。
[0011]所述的微生物載片采用如下方式制備:將5g的玉米秸桿粉碎、預(yù)處理(酸化和堿化)后，加到20 mL的0.5 mol/L的Na104溶液中，置于恒溫器里，在30 °C條件下避光反應(yīng)一定時(shí)間后，用0.2 mol/L的乙二醇溶液和超純水沖洗多次，以便出去殘余的Na104，沖洗完成后待用；在濕態(tài)纖維素中，加入5-10g硝化細(xì)菌菌群和5-10g過氧化氫酶，在室溫下反應(yīng)10-12小時(shí)后，用超純水和磷酸鹽緩沖液沖洗，沖洗數(shù)次后即制得微生物載片，保存在冰箱中備用。
[0012]工作方式:
[0013]將未載有復(fù)合微生物載片的氧電極插入裝有待測樣品的密閉容器中，滴入過氧化氫量，通過其在過氧化氫酶的作用下產(chǎn)生氧氣的量的多少，測定過氧化氫酶的活性，然后通過曝氣裝置向密閉反應(yīng)器中通入一定的氧氣量，一定時(shí)間內(nèi)觀察樣品中的氧的消耗量，測得耗氧速率值;測完過氧化氫酶活性和耗氧速率以后，在氧電極上貼上可拆式微生物載片，插入裝有待測樣品的密閉反應(yīng)器中，通過載體上的過氧化氫酶可消耗樣品中的過氧化氫量的大小，通過載體上的硝化細(xì)菌群可感知樣品中的綜合毒性的大小，毒性越大，樣品呼吸速率就會(huì)減緩;這些指標(biāo)均通過氧氣的形式被氧電極所感知，然后通過氧電極信號(hào)轉(zhuǎn)化器變?yōu)榭梢暤臋z測值。
[0014]硝化菌群及過氧化氫酶載體為可拆式薄膜，需測量污水毒性和過氧化氫量時(shí)，將其固定于氧電極表面上，密閉反應(yīng)槽可以通過通氧裝置、過氧化氫滴定裝置進(jìn)行過氧化氫酶(CAT )及耗氧速率(OUR)、溶解氧的測定。
[0015]此種復(fù)合傳感器應(yīng)用于污水水質(zhì)毒性的監(jiān)測預(yù)警中，其能反應(yīng)污水的污染物毒性狀態(tài)、過氧化氫產(chǎn)生含量，同時(shí)兼顧污水處理系統(tǒng)的溶解氧、耗氧速率、過氧化氫酶活性狀態(tài)。復(fù)合傳感器的設(shè)計(jì)兼顧多指標(biāo)的測量，大大減少了監(jiān)測工作量及相應(yīng)的監(jiān)測費(fèi)用。污水毒性狀態(tài)的監(jiān)測預(yù)警將為污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行提供及時(shí)反饋，以便了解系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，做出相應(yīng)的調(diào)整。
【附圖說明】
[0016]圖1是復(fù)合傳感器示意圖。
[0017]圖2是復(fù)合傳感器工作示意圖。
[0018]圖中，1-氧電極信號(hào)轉(zhuǎn)換器，2-PascoC1-6542型氧電極系統(tǒng)，3_復(fù)合微生物載片，4-過氧化氫滴入通道，5-攪拌裝置，6-曝氣裝置，7-密閉反應(yīng)槽，8-待測樣品。
【具體實(shí)施方式】
[0019]—種用于污水處理水質(zhì)毒性預(yù)警的復(fù)合生物傳感器，其特征在于，包括:氧電極信號(hào)轉(zhuǎn)換器，Pasco C1-6542型氧電極系統(tǒng)，復(fù)合微生物載片，其連接關(guān)系是:氧電極信號(hào)轉(zhuǎn)換器與氧電極系統(tǒng)固定連接，微生物載片固定在氧電極的表面，覆蓋在電極原有的氧氣透過性膜上。
[0020]所述的復(fù)合微生物載片采用如下方式制備:將5g的玉米秸桿粉碎、預(yù)處理(酸化和堿化)后，加到20 mL的0.5 mol/L的Na104溶液中，置于恒溫器里，在30 °C條件下避光反應(yīng)12小時(shí)，用0.2 mol/L的乙二醇溶液和超純水沖洗多次，以便出去殘余的Na104，沖洗完成后待用；在濕態(tài)纖維素中，加入1g消化菌菌群和1g過氧化氫酶，在室溫下反應(yīng)12小時(shí)后，用超純水和磷酸鹽緩沖液沖洗，沖洗數(shù)次后即制得復(fù)合微生物載片，保存在冰箱中備用。
[0021]工作方式:
[0022]將未載有復(fù)合微生物載片的氧電極插入裝有待測樣品的密閉容器中，滴入過氧化氫量，通過其在過氧化氫酶的作用下產(chǎn)生氧氣的量的多少，測定過氧化氫酶的活性，然后通過曝氣裝置向密閉反應(yīng)器中通入一定的氧氣量，一定時(shí)間內(nèi)觀察樣品中的氧的消耗量，測得耗氧速率值;測完過氧化氫酶活性和耗氧速率以后，在氧電極上貼上可拆式微生物載片，插入裝有待測樣品的密閉反應(yīng)器中，通過載體上的過氧化氫酶可消耗樣品中的過氧化氫量的大小，通過載體上的硝化細(xì)菌群可感知樣品中的綜合毒性的大小，毒性越大，樣品呼吸速率就會(huì)減緩;這些指標(biāo)均通過氧氣的形式被氧電極所感知，然后通過氧電極信號(hào)轉(zhuǎn)化器變?yōu)榭梢暤臋z測值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于污水處理水質(zhì)毒性預(yù)警的復(fù)合生物傳感器，其特征在于，包括:氧電極信號(hào)轉(zhuǎn)換器，Pasco C1-6542型氧電極系統(tǒng)，復(fù)合微生物載片，其連接關(guān)系是:氧電極信號(hào)轉(zhuǎn)換器與Pasco C1-6542型氧電極系統(tǒng)固定連接，復(fù)合微生物載片固定在Pasco C1-6542型氧電極的表面，覆蓋在電極原有的氧氣透過性膜上。
【文檔編號(hào)】G01N27/327GK205538804SQ201620187266
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月12日
【發(fā)明人】宣志剛, 黃志紅, 王萬賓, 崔文娟, 周濤, 顧開林, 羅生, 宋羽飛
【申請人】云南圣清環(huán)境監(jiān)測科技有限公司