一种可检测海水生物毒性的介体型一体化微生物电极及其制备方法和应用

本发明涉及生物毒性检测。更具体地，涉及一种可检测海水生物毒性的介体型一体化微生物电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、海洋是地表的重要组成部分，蕴藏着丰富的矿产资源，而且其在调节气候、维持生物多样性等方面发挥着重要作用，对人类的生存发展具有重要生态和经济意义。然而，人类在利用海洋资源的同时，一些不恰当的人为活动也导致污染物被持续排放到海水中，致使海洋环境遭到破坏；近年来海域污染事件的发生也对附近海域的渔业和海洋生物资源带来极大的损害。

2、海洋污染问题不断推动关于海洋水质监测技术的探索，目前，针对海洋污染的生物毒性检测方法多是利用鱼类、虾类、桡足类等海洋动物作为受试生物体，但这些方法存在成本高、实验周期长、检测过程繁琐等问题，不能对突发海洋污染进行及时预警，因此，亟需开发便捷、可靠的海洋毒性检测技术以满足快速响应的需要。

3、近年来，介体型电化学微生物电极传感器因具有灵敏度高、易于微型化、响应快速、不受水体色度和浊度干扰等优势而被广泛用于水质毒性方向的研究。该类传感器主要基于毒物对微生物呼吸系统的抑制作用来进行毒性评估：体系中的电子介体(例如苯醌、铁氰化钾)可介入微生物的呼吸过程，捕获微生物代谢产生的电子而被还原，还原态的电子介体进而在工作电极发生氧化反应，产生相应的电流信号；而毒物会抑制受试微生物的呼吸作用，进而被微生物还原的电子介体量将减少，最终导致输出电流的降低，因此，由电流的变化即可评估待测物的毒性。电子介体在微生物电极中一般有两种存在形式：分散于溶液中的分散体系以及固定在电极表面的介体型一体化体系。相较于分散体系，介体型一体化体系对电子介体需求量小，避免了其对生物体的不良影响和对体系造成的二次污染，而且介体型一体化体系将受试微生物和电子介体均附着于电极表面，该电极使用时不需额外化学试剂的加入，对人员专业性的宽容度较好，也为检测过程带来极大的便利。然而，基于介体型电化学微生物传感器对水质生物毒性的研究基本集中于淡水体系，海洋体系相对于淡水环境成分复杂、盐度高、电解质含量大，为微生物电化学传感器的构建带来更大的挑战。此外，目前基于微生物评估海洋生物毒性均采用发光细菌法，其检测结果易受样品浊度、色度的干扰；现阶段电化学方法应用于海洋毒性监测仍存在空白，尚需开展相关研究来满足海洋水质快速、准确监测的需要。

技术实现思路

1、基于以上事实，本发明的一个目的在于提供一种可检测海水生物毒性的介体型一体化微生物电极及其制备方法和应用，该电极能快速、准确地用来检测海水生物毒性，弥补了基于介体型一体化微生物电极在海水毒性评估领域的空白，开拓了电化学方法在海洋水质监测的应用。

2、传统的介体型一体化电化学微生物电极应用于海水中，普遍存在的问题是，受试微生物的耐盐性差，在海水中无法存活，此外，也需要克服海水的高电解质含量对检测体系电化学信号强度和检测准确度的影响。

3、针对此问题，一方面，本发明的技术方案提供了一种可检测海水生物毒性的介体型一体化微生物电极，所述电极包括电极基体，以及均匀附着在该电极基体上的微生物膜；

4、其中，该微生物膜为通过凝胶溶液将混合均匀的电子介体和微生物固定在电极基体上，经干燥后得到的薄膜；

5、所述凝胶溶液为聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液与壳聚糖溶液混合形成。

6、本技术方案中，采用了特定组成的凝胶用来同时固定电子介体和微生物，选用聚二烯丙基二甲基氯化铵和壳聚糖作为凝胶组分，由二者混合得到的凝胶兼具两者的优势，相较于由单组分构成的凝胶，具有更加优异的电化学性能、更好的稳定性和更高的生物相容性。此外，聚二烯丙基二甲基氯化铵和壳聚糖均为带正电的高分子材料，可通过静电引力吸附带负电荷的电子介体，得到稳定的负载电子介体的膜结构，电化学活性凝胶的制备过程也较为简单。将该混合凝胶与电子介体和微生物混合得到的介体型一体化微生物电极对重金属离子、农药等污染的海水均能快速响应，在复杂的实际海水体系也具有很好的适用性，克服了“海水的高电解质含量对检测体系电化学信号强度和检测准确度的影响”，可应用于海洋污染物的急性毒性检测。

7、进一步地，所述聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液与壳聚糖溶液的溶剂为水、醋酸中的一种或两种的混合。

8、进一步地，所述电极基体选自玻碳电极、金电极、铂电极或丝网印刷电极中的一种。

9、进一步地，所述电子介体选自硫堇、铁氰化钾、苯醌、甲萘醌等电子介体中的一种，优选为铁氰化钾。

10、进一步地，所述微生物选自耐盐性微生物细菌或海洋细菌。

11、进一步地，所述微生物选自耐盐乳酸菌、金黄色葡萄球菌或希瓦氏菌中的一种或几种。

12、进一步地，所述聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中的聚二烯丙基二甲基氯化铵与壳聚糖溶液中的壳聚糖的质量比为1:0.5～1:2。

13、又一方面，本发明提供如上所述的介体型一体化微生物电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

14、将聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液与壳聚糖溶液混匀，形成凝胶溶液；

15、向该凝胶溶液中加入电子介体溶液，混匀，得活性凝胶溶液；

16、将所述活性凝胶溶液与微生物菌液混合后滴加在电极表面，干燥，得所述介体型一体化微生物电极。

17、进一步地，所述聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液与壳聚糖溶液的溶剂为水、醋酸中的一种或两种的混合。

18、进一步地，所述电子介体溶液为电子介体的水溶液。

19、进一步地，所述聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液为聚二烯丙基二甲基氯化铵的水溶液。

20、进一步地，所述壳聚糖溶液为壳聚糖的醋酸溶液。

21、进一步地，所述聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液的浓度为0.1-0.3g/ml，优选为0.1-0.2g/ml；所述壳聚糖溶液的浓度为1.5-3g/l；所述壳聚糖溶液与所述聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液的体积比为15-25:0.24。优选地，所述聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液的浓度为0.2g/ml；所述壳聚糖溶液的浓度为2.5g/l；所述壳聚糖溶液与所述聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液的体积比为20:0.24。其中，凝胶溶液中聚二烯丙基二甲基氯化铵或壳聚糖的比例在本发明范围内可以获得稳定性和导电性更优的介体型一体化微生物电极。

22、进一步地，所述电子介体溶液的浓度为40-60mmol/l；所述凝胶溶液与所述电子介体溶液的体积比为3-5:1，优选为4:1。

23、进一步地，所述微生物菌液的菌群密度为1.0≤od600菌液≤3.0。其中，od600是表征液体中微生物密度的标准指标，而微生物菌液中微生物的密度会影响检测灵敏度。

24、进一步地，形成凝胶溶液时，混合的时间为1-3小时，优选为2小时。

25、进一步地，形成活性凝胶溶液时，混合的时间为10-15小时，优选为12小时。

26、进一步地，所述活性凝胶溶液与所述微生物菌液的体积比为1:1。其中，微生物菌液与活性凝胶溶液相比，体积过少，影响电极灵敏性，体积过多，影响固定效果。

27、其中，所述微生物菌液本领域人员可根据需要培养，例如，将微生物接种于微生物液体培养基中培养，然后进行离心、清洗等操作。

28、根据本发明的具体实施方式，所述金黄色葡萄球菌的培养条件为置于温度为37℃的恒温水浴摇床中培养24h。

29、根据本发明的具体实施方式，所述菌体的清洗可采用常规的缓冲液或清洗液，以去除菌体培养中可能影响后续测试结果的物质，如磷酸盐缓冲液、tris-hcl缓冲液、hepes缓冲液、硼酸-硼砂缓冲液或氯化钠溶液，优选为0.85％(w/v)的氯化钠溶液。

30、根据本发明的具体实施方式，所述微生物分散液为磷酸盐缓冲液、氯化钠溶液或模拟海水溶液，所述模拟海水溶液由海盐溶解于超纯水制得，浓度为35g/l。

31、又一方面，本发明提供如上所述的介体型一体化微生物电极在海水生物毒性检测领域中的应用。

32、进一步地，所述应用包括如下步骤：

33、以所述介体型一体化微生物电极为三电极体系的工作电极，待测海水样品的生物毒性。

34、进一步地，所述应用包括如下步骤：

35、在电解池中将工作电极、对电极和参比电极组成三电极体系，在电解池中加入微生物呼吸基质溶液并施加恒电压；电流稳定后加入待测样品；利用抑制率判定待测样品的毒性。

36、进一步地，所述抑制率的计算公式如下：

37、抑制率(％)＝(1-i1/i0)×100％；

38、其中，i0是加入待测样品前的稳态电流，i1是加入待测样品后的稳态电流。

39、进一步地，所述恒电压为0.5v vs。

40、进一步地，所述微生物呼吸基质溶液的制备方法为：将葡萄糖、丁二酸钠和乳酸钠溶解于模拟海水溶液并混合均匀，其中葡萄糖、丁二酸钠和乳酸钠的浓度均为10mmol/l；所述模拟海水溶液由海盐溶解于超纯水制得，浓度为35g/l。

41、本领域技术人员可以理解本发明的介体型一体化微生物电极同样可以用于淡水等水体的生物毒性检测。

42、本发明的有益效果如下：

43、1、本发明提供的可检测海水生物毒性的介体型一体化微生物电极对重金属离子、农药等污染的海水均能快速响应，可广泛用于海水污染物的急性毒性检测领域。

44、2、采用本发明的可检测海水生物毒性的介体型一体化微生物电极制备的水体生物毒性监测系统，可用于即时监测水体生物毒性的改变和检测水体生物毒性大小，不仅实现了快速检测，且具有分析灵敏度高、成本低廉、操作简单、便于携带等特点。

45、3、本发明提供的可检测海水生物毒性的介体型一体化微生物电极检测时无需额外的电子介体、微生物溶液等试剂的加入，具有较高的实用性，极大地降低了人为操作对于检测不确定性的影响，在实际水体毒性评估展现出广阔前景。