小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的方法
【专利摘要】本发明公开了一种小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的方法，采用由若干个双室微生物燃料电池构成的集成式微生物燃料电池。该方法首先提取污染土壤悬液充入双室微生物燃料电池的阳极室内，然后配制铁氰化钾的磷酸缓冲盐溶液灌满至双室微生物燃料电池的阴极室，最后将电池运行期间的产电电量作为指示土壤微生物活性的指标。本发明的方法检测成本低，操作简便，对土壤污染灵敏度高，能连续实时检测土壤微生物活性，且小型化和集成式可以提高检测效率。
【专利说明】小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的 方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于一种土壤微生物检测技术，具体涉及小型化集成式微生物燃料电池指 示污染土壤微生物活性的方法。
【背景技术】
[0002] 土壤微生物是土壤物质转化和养分循环的重要执行者，土壤微生物活性的降低， 意味着土壤受到不利因素如污染的胁迫，并导致土壤质量的降低。当前普遍采用生物学指 标检测土壤微生物活性，所涉及的方法包括微生物生物量、微生物商、代谢商、土壤酶活性、 碳源利用图谱和土壤微量热等指标。这些指标的检测需要经过多个实验步骤，操作繁琐并 消耗较多试剂与人工。而且碳源利用图谱和土壤微量热等方法需要分别使用BI0L0G仪和 微量热仪等价格昂贵的设备以及价格不菲的耗材，而且上述方法都不能实现连续实时监 测。
[0003] 微生物燃料电池是一类通过产电微生物的催化作用，把有机质的化学能转化为电 能的装置，所产生的电流强度与产电微生物的代谢活性密切相关。土壤中存在大量具有产 电功能的微生物，广泛分布于变形菌门、厚壁菌门等，通过分解土壤有机质产电。当土壤微 生物受到不利因素如污染的胁迫时，土壤产电菌的产电能力会降低。
[0004] 现有的生物学指标来指示污染土壤微生物活性的检测技术存在成本高、操作繁琐 等问题，尤其是不能实现连续实时检测。而且，现有的采用土壤直接产电指示土壤污染的方 法需要用较大的微生物燃料电池进行土壤装填。目前并未出现土壤悬液作为双室微生物燃 料电池阳极体系并利用其产电信号指示污染土壤微生物活性的方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种指示污染土壤微生物活性的新方法。本发明克服现有 技术中存在的不足和缺陷，具有运行成本较低、操作简单和检测效率高的优势，而且可以实 现对土壤微生物活性的连续实时检测。
[0006] 本发明采用的技术方案如下： 小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的方法，检测对象为污染土壤 提取的悬液；采用集成式微生物燃料电池，其由若干个双室微生物燃料电池固定在集成板 上形成；具体操作包括如下步骤： ① 制备污染土壤悬液样品：用蒸馏水或去离子水稀释污染土壤，振荡后静置或震荡后 离心，吸取上层土壤悬液；向土壤悬液中添加并溶解葡萄糖或乙酸钠，葡萄糖和乙酸钠所用 的质量不超过土壤悬液体积的2%，也可将葡萄糖与乙酸钠在上述范围内混合加入并溶解于 土壤悬液中；将土壤悬液加入双室微生物燃料电池的阳极室内； ② 配制铁氰化钾的磷酸缓冲盐溶液：铁氰化钾浓度范围从50mM至200mM，磷酸盐缓冲 液的pH调至7,浓度从50mM至200mM，然后将铁氰化钾的磷酸缓冲盐溶液灌满至双室微生 物燃料电池的阴极室； ③ 运行集成式微生物燃料电池：将每个双室微生物燃料电池中的阳极和阴极通过导 线与负载串联，负载阻值范围在10 Ω至1000 Ω之间，采用数据采集器或万用表实时连续 记录负载两端的电压或电流，72小时后停止记录；将电压数据根据公式（1)和（2)换算成电 量，或将电流数据根据公式（2)换算成电量： I (电流，A)=U(电压，V) / R (外阻，Ω) (1) Q (电量，C) = I (电流，A) X t (时间，s) (2) ④ 采用微生物燃料电池运行期间产生的电量作为检测土壤微生物活性的指标，电量 电池运行期间的产电电量越低表明土壤污染毒性越大，土壤微生物活性越低。
[0007] 所述污染土壤为所有的土壤类型，其污染物包括重金属污染、有机物污染或者酸 碱污染。
[0008] 所述双室微生物燃料电池包括阳极、阴极、阳极室、阴极室、阳极室外裙边、阳极室 内裙边、阴极室外裙边、阳极室内裙边、导线口、进水□、出水口、隔膜、胶垫、导线、负载、螺 栓和螺帽；阳极和阴极材料分别填满阳极室和阴极室；所述胶垫和隔膜设置在阳极室和阴 极室之间。
[0009] 所述阳极或阴极的材料为碳毡、碳布、碳刷、活性炭颗粒、石墨颗粒、不锈钢网或钛 网。
[0010] 所述双室微生物燃料电池的阳极室和阴极室工作体积均小于30 cm3。
[0011] 所述隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜、超滤膜、微滤膜、全氟磺酸树脂膜、玻璃纤 维膜或聚碳酸酯膜。
[0012] 所述集成板上设有用于固定双室微生物燃料电池的槽口，微生物燃料电池的阳极 室外裙边、阳极室内裙边以及阴极室外裙边和阴极室内裙边插入槽口内。
[0013] 所述集成板上标记有编号，编号对应不同位置的双室微生物燃料电池，使得不同 的污染土壤悬液与其产电数据实现一一对应。 本发明的原理：土壤中存在大量具有产电功能的微生物，广泛分布于变形菌门、厚壁菌 门等，通过分解土壤有机质产电。当土壤微生物受到不利因素如污染的胁迫时，土壤产电菌 的产电能力会降低，这种降低的趋势与传统的微生物活性指标，如土壤脱氢酶、土壤呼吸等 的变化趋势极其相似。因此可以对土壤微生物的产电能力进行量化，并使其成为指示污染 土壤中微生物活性的新指标。
[0014] 本发明利用悬液中的土壤微生物分解有机质产生的电量作为指示土壤微生物活 性的指标，和传统土壤生物学指标相比，本发明具有成本低、操作简单和检测周期短的优 势。另外，现有的采用土壤产电的方法需要用较大的微生物燃料电池进行土壤装填，而本发 明提取污染土壤的悬液可在小型化微生物燃料电池中进行产电。同时为了提高小体积悬液 的产电，本发明采用多孔或网状或颗粒状电极材料并充满阳极室和阴极室，从而最大限度 的增加电极面积，还将少量葡萄糖或乙酸钠溶解在污染土壤制备的悬液中，通过增加碳源 来提高产电。本发明将若干小型化微生物燃料电池集成产电，可实现对较多污染样品的检 测。因此，本发明优势特色在于：①以土壤悬液作为阳极体系，对污染响应的灵敏度与分辨 率高；②小型化和集成化大大降低了检测成本并提高了检测效率；③检测结果直观，根 据记录的电压曲线即可做出初步判断。
[0015]
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1 (a)本发明所用的双室微生物燃料电池结构示意图，其中，1-阳极室外裙边， 2-阳极室，3-阳极，4-阳极室内裙边，5-螺孔，6-隔膜，7-胶垫，8-阴极室内裙边，9-阴 极室，10-阴极，11-阴极室外裙边，12-阴极室顶盖，13-导线，14-负载，15-阳极室顶盖， 16-螺帽，17-螺栓；(b)集成板结构示意图，其中，18-槽口。
[0017] 图2从含铜浓度0 (对照)、20、40、60、80、100和120 11^1^^1的土壤中提取的土壤 悬液在微生物燃料电池中运行72小时产生的总电量。土壤悬液添加0. 5%乙酸钠(质量体 积比)。
[0018] 图3含铜浓度0 (对照)、20、40、60、80、100和120 11^1^_1的土壤中土壤脱氢酶活 性。
[0019] 图4微生物燃料电池产电电量与土壤脱氢酶活性的相关性分析示意图。相关性系 数R = 0.97,显著性P〈 0.001，达到极显著水平。
[0020]
【具体实施方式】
[0021] 本发明提供了小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的方法，下 面结合附图和实施例加以说明。
[0022] 如图1所示，本发明的微生物燃料电池包括阳极室外裙边1，阳极室2,阳极3,阳极 室内裙边4,螺孔5,隔膜6,胶垫7,阴极室内裙边8,阴极室9,阴极10,阴极室外裙边11，阴 极室顶盖12,导线13,负载14,阳极室顶盖15,螺帽16,螺栓17。阳极3和阴极10分别填 满阳极室2和阴极室9 ;阳极3和阴极10通过导线13连接，并且通过导线13串联负载14 ; 胶垫7和隔膜6设置在阳极室2和阴极室9之间。螺帽16和螺栓17用于将阳极室裙边、 胶垫7、隔膜6以及阴极室裙边固定在一起。将阳极室外裙边1、内裙边4以及阴极室外裙 边11和内裙边8插入集成板上相应的槽口 18。
[0023] 实施例： 采用双室微生物燃料电池，每室内壁规格为边长3 cm的立方体，壁厚0.5 cm，有效容 积27 mL。两室之间以阳离子交换膜隔开。以碳毡为电极，阴极碳毡和阳极碳毡规格都为 边长3 cm的立方体，电极距离3 cm，电极之间连接1000 Ω外阻。土壤为长江中下游林地 土壤，为典型黄棕壤。将土壤分成7份，分别添加不同铜浓度的氯化铜溶液并与土壤充分混 匀，使土壤中铜浓度达到〇(对照)、20、40、60、80、100和120 11^/1^。土壤老化1天后，从每 份土壤中取出2g土壤(干土重)用于检测土壤脱氢酶活性，剩余土壤用于运行微生物燃料电 池，方法如下：每个铜浓度下取10 g 土壤(干土重）分别置于锥形瓶中，加入100 ml去离子 水，200r/min振荡1 h，静置30 min后吸取上层土壤悬液，分别与乙酸钠混匀，乙酸钠质量 与土壤悬液体积比为0. 5%。将土壤悬液加入到微生物燃料电池的阳极室中，至阳极碳毡水 饱和。阴极室中灌入含50 mM铁氰化钾的50 mM、pH7磷酸缓冲液，至阴极碳毡水饱和。运 行微生物燃料电池检测产电。阳极与阴极间连接1000 Ω外阻。微生物燃料电池连接好之 后，全部固定在集成板上，对应集成板上编号A1-A7,并采用数据采集器每隔10 min记录一 次外阻两端电压，共记录72小时（图2)。根据公式电流（A)=电压（V)/阻值（Ω)，算出产 生的电流，再根据公式电量（C)=电流（A) X时间（s)，算出运行72小时微生物燃料电池产 生的总电量。结果表明，随着铜浓度增加，以污染土壤悬液运行微生物燃料电池产电电量与 脱氢酶活性的下降趋势一致（图2、3、4)，表明以小型化集成式微生物燃料电池指示污染土 壤微生物活性方法是可靠的。
【权利要求】
1. 小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的方法，其特征在于，检测 对象为污染土壤提取的悬液；采用集成式微生物燃料电池，其由若干个双室微生物燃料电 池固定在集成板上形成；具体操作包括如下步骤： ① 制备污染土壤悬液样品：用蒸馏水或去离子水稀释污染土壤，振荡后静置或震荡后 离心，吸取上层土壤悬液；向土壤悬液中添加并溶解葡萄糖或乙酸钠，葡萄糖和乙酸钠所用 的质量不超过土壤悬液体积的2%，也可将葡萄糖与乙酸钠在上述范围内混合加入并溶解于 土壤悬液中；将土壤悬液加入双室微生物燃料电池的阳极室内； ② 配制铁氰化钾的磷酸缓冲盐溶液：铁氰化钾浓度范围从50mM至200mM，磷酸盐缓冲 液的pH调至7,浓度从50mM至200mM，然后将铁氰化钾的磷酸缓冲盐溶液灌满至双室微生 物燃料电池的阴极室； ③ 运行集成式微生物燃料电池：将每个双室微生物燃料电池中的阳极和阴极通过导 线与负载串联，负载阻值范围在10 Ω至1000 Ω之间，采用数据采集器或万用表实时连续 记录负载两端的电压或电流，72小时后停止记录；将电压数据根据公式（1)和（2)换算成电 量，或将电流数据根据公式（2)换算成电量： I (电流，A)=U(电压，V) / R (外阻，Ω) (1) Q (电量，C) = I (电流，A) X t (时间，s) (2) ④ 采用微生物燃料电池运行期间产生的电量作为检测土壤微生物活性的指标，电量 电池运行期间的产电电量越低表明土壤微生物活性越低。
2. 根据权利要求1所述的小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的 方法，其特征在于，所述污染土壤为所有的土壤类型，其污染物包括重金属污染、有机物污 染或者酸碱污染。
3. 根据权利要求1所述的小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的 方法，其特征在于，所述双室微生物燃料电池包括阳极、阴极、阳极室、阴极室、阳极室外裙 边、阳极室内裙边、阴极室外裙边、阳极室内裙边、导线口、进水口、出水口、隔膜、胶垫、导 线、负载、螺栓和螺帽；所述阳极和阴极材料分别填满阳极室和阴极室；所述胶垫和隔膜设 置在阳极室和阴极室之间。
4. 根据权利要求1、2或3所述的小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活 性的方法，其特征在于，所述阳极或阴极材料为碳毡、碳布、碳刷、活性炭颗粒、石墨颗粒、不 锈钢网或钛网。
5. 根据权利要求1、2或3所述的小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物 活性的方法，其特征在于，所述双室微生物燃料电池的阳极室和阴极室工作体积均小于30 cm3。
6. 根据权利要求3所述的小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的 方法，其特征在于，所述隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜、超滤膜、微滤膜、全氟磺酸树脂 膜、玻璃纤维膜或聚碳酸酯膜。
7. 根据权利要求3所述的小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的 方法，其特征在于，所述集成板上设有用于固定双室微生物燃料电池的槽口，微生物燃料电 池的阳极室外裙边、阳极室内裙边以及阴极室外裙边和阴极室内裙边插入槽口内。
8. 根据权利要求1所述的小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的 方法，其特征在于，所述集成板上标记有编号，编号对应不同位置的双室微生物燃料电池， 使得不同的污染土壤悬液与其产电数据实现一一对应。
【文档编号】G01N27/403GK104142362SQ201410361646
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】钟文辉, 姜允斌, 邓欢 申请人:南京师范大学