一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中BDOC的方法

本发明属于水质生物稳定性指标bdoc检测领域，具体涉及一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法。

背景技术：

1、水质生物稳定性关系到饮用水水质安全。生物膜在饮用水分配系统中含有病原体，而病原体如细菌、病毒、原生动物等引起的传染病是与饮用水相关的最常见和最广泛的健康风险，这些风险可以通过控制饮用水中的营养基质来最小化。生物可降解溶解性有机碳bdoc是评价饮用水生物稳定性的一个重要指标。目前，已有多种bdoc的测定方法，包括悬浮培养法、生物反应器法、动态循环法、活性生物砂法，以上方法都是基于测定接种微生物前后的溶解性有机碳doc变化的原理来计算bdoc，需要耗费较长的测定时间，缺乏时效性，并且检出限受toc分析仪的限制。除此之外这些方法由于其是利用非原生细菌单一培养或高度驯化的细菌的分批方法，不能代表大多数水和分配系统中发现的动态本地细菌群落。

2、电化学阻抗谱技术(eis)通过向电极系统施加小振幅的电势或电流，使其产生近似线性的关系响应，依据在较宽频率范围内获得电极系统的阻抗谱图，来分析电极过程动力学信息和电极界面结构信息，其在金属腐蚀、电池性能研究等领域具有广泛的应用。使用eis对微生物附着和生物膜发育进行了广泛研究，这种技术的非破坏性使其对于生物膜发育的实时监测非常有利。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了实现在快速、原位和无损的情况的下对水中bdoc进行有效检测，从而反应管道水质的生物稳定性，而提供一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法。

2、本发明的一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法，所述的方法是按照以下步骤进行：

3、s1、制备传感电极，将传感电极置于待检测bdoc浓度的饮用水中，使其表面形成生物膜；

4、s2、在固定培养时间测量表面附着生物膜的电极的电化学阻抗谱；

5、s3、根据表面附着生物膜的电极的电化学阻抗谱对等效电路模型中各器件进行参数辨识，获得电化学参数电容值；

6、s4、在固定培养时间对表面附着生物膜的电极进行微生物检测；

7、s5、收集电极表面的生物膜，制备细胞悬浮液，并使用流式细胞仪计数，获得微生物参数细胞密度；

8、s6、在固定培养时间对放置有传感电极的标准溶液进行bdoc浓度检测，获得bdoc浓度；

9、s7、依据微生物参数细胞密度与bdoc浓度关系公式，绘制曲线，拟合出方程；

10、所述的微生物参数细胞密度与bdoc浓度关系公式：

11、

12、其中，tk1为在反应时间固定的条件下的常数，s为单一限制性底物浓度，nt为电极上t时间附着的细胞个数，n0为电极初始时间附着的细胞个数；

13、所述的绘制曲线，拟合出方程公式：

14、

15、其中，k为半饱和常数，s为单一限制性底物浓度，ct的双层电容比值，b为常数；所述的ct的计算公式如下：

16、ct＝k2nt+b.

17、其中，k2为半饱和常数，nt为电极上t时间附着的细胞个数，b为常数；

18、s8、测定实际水样中生长的生物膜的电容，带入曲线拟合的方程，求出水样bdoc的浓度。

19、进一步地，所述的传感电极为不锈钢材质，不锈钢电极的几何尺寸为长度100mm，直径为5mm。

20、进一步地，所述的传感电极进行预处理后置于待检测bdoc浓度的饮用水中，所述的预处理为：将电极浸入次氯酸钠溶液中1小时，随后，将电极连续三次浸入新鲜超纯水中30分钟，并将电极置于75℃的烘箱中48小时，以去除任何残留氯；所述的次氯酸钠溶液的总氯浓度为20mg/l。

21、进一步地，步骤s2中固定培养时间指每间隔1d测量一次，具体间隔时间为0d、1d、2d、3d、4d、5d、6d和7d。

22、进一步地，步骤s3中根据表面附着生物膜的电极的电化学阻抗谱对等效电路模型中各器件进行参数辨识是在10mv的交流电压下，10mhz～100khz之间进行。

23、进一步地，步骤s3中所述的等效电路模型包括：溶液电阻rs，双层电容c和电荷转移电阻rct并联后与扩散电化学元件w串联。

24、进一步地，步骤s4中固定培养时间指每间隔1d测量一次，具体间隔时间为0d、1d、2d、3d、4d、5d、6d和7d。

25、进一步地，步骤s4中微生物检测的温度为25℃。

26、进一步地，所述的k1s的计算公式为μ＝k1s，其中μ为微生物的比生长速率。

27、进一步地，所述的微生物的比生长速率μ公式为其中μmax微生物的最大比生长速率。

28、本发明包含以下有益效果：

29、生物膜的生长包括细菌生物膜的形成过程包括粘附期，生长期、成熟期和散播期。本发明的方案依据得到ct的比值与水中可生物降解溶解性有机物bdoc浓度具有线性关系，可以利用此关系绘制曲线拟合方程，按照相同的测定过程，测定实际水样中生长的生物膜的电容，带入曲线拟合的方程，求出水样bdoc的浓度。本发明的方法可以实现快速测定bdoc，通过测定生物膜的电容来间接获得bdoc；其次用生物膜电容反映bdoc和水质生物稳定性更加全面，避免了之前传统接种单一菌种和测定时间长的弊端；最后可用于给水管网中，通过使用电化学阻抗技术实现原位、无损的在线监测给水管网中的bdoc。

技术特征：

1.一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法，其特征在于所述的方法是按照以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法，其特征在于所述的传感电极为不锈钢材质，不锈钢电极的几何尺寸为长度100mm，直径为5mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法，其特征在于所述的传感电极进行预处理后置于待检测bdoc浓度的饮用水中，所述的预处理为：将电极浸入次氯酸钠溶液中1小时，随后，将电极连续三次浸入新鲜超纯水中30分钟，并将电极置于75℃的烘箱中48小时，以去除任何残留氯；所述的次氯酸钠溶液的总氯浓度为20mg/l。

4.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法，其特征在于步骤s2中固定培养时间指每间隔1d测量一次，具体间隔时间为0d、1d、2d、3d、4d、5d、6d和7d。

5.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法，其特征在于步骤s3中根据表面附着生物膜的电极的电化学阻抗谱对等效电路模型中各器件进行参数辨识是在10mv的交流电压下，10mhz～100khz之间进行。

6.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法，其特征在于步骤s3中所述的等效电路模型包括：溶液电阻rs，双层电容c和电荷转移电阻rct并联后与扩散电化学元件w串联。

7.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法，其特征在于步骤s4中固定培养时间指每间隔1d测量一次，具体间隔时间为0d、1d、2d、3d、4d、5d、6d和7d。

8.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法，其特征在于步骤s4中微生物检测的温度为25℃。

9.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法，其特征在于所述的k1s的计算公式为μ＝k1s，其中μ为微生物的比生长速率。

10.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中bdoc的方法，其特征在于所述的微生物的比生长速率μ公式为其中μmax微生物的最大比生长速率。

技术总结
一种基于电化学阻抗谱的生物膜传感快速检测给水管网中BDOC的方法，它涉及水质生物稳定性指标BDOC检测领域。本发明是为了实现在快速、原位和无损的情况的下对水中BDOC进行有效检测，从而反应管道水质的生物稳定性。本发明方案依据得到Ct的比值与水中可生物降解溶解性有机物BDOC浓度具有线性关系，可以利用此关系绘制曲线拟合方程，按照相同的测定过程，测定实际水样中生长的生物膜的电容，带入曲线拟合的方程，求出水样BDOC的浓度。本发明的方法可以实现快速测定BDOC；其次用生物膜电容反映BDOC和水质生物稳定性更加全面；可用于给水管网中，通过使用电化学阻抗技术实现原位、无损的在线监测给水管网中的BDOC。

技术研发人员：郑成志,钟丹,殷晓明,赵祺佳,孙国胜,邓玉海,马文成
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学水资源国家工程研究中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16