微生物燃料电池生物传感器在环境监测中的应用及其研究进展

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是一种能够将化学能直接转化为电能的装置.由于其产生的电信号可以直接反映微生物的新陈代谢活动并能实现在线监测,因此MFC在生物传感器领域中迅速发展.MFC生物传感器可利用MFC产生的电流或电压作为电信号对被分析物进行分析测量,具有灵敏度高、监测速度快、操作简便、可在线连续监测等优点.本文简述了微生物燃料电池生物传感器的工作原理和在环境监测中的研究进展,并对其发展前景作了预测和展望.     

重金属镉对土壤呼吸和土壤微生物群落的影响研究

在试验室条件下,研究了外源添加不同浓度的重金属镉对土壤呼吸和土壤微生物群落的影响.结果表明,重金属镉污染对不同的土壤生化过程具有不同效应,低浓度镉的添加对土壤呼吸强度有一定刺激作用,高浓度则产生抑制作用.通过计数法测定镉污染土壤微生物多样性,其数量明显减少.通过对土壤呼吸强度、土壤微生物群落量的测定得出,微生物可以作为土壤重金属污染的重要评价指标,可为污水灌溉地区提供土壤中镉浓度的最高限值,保证污灌区的农作物食用安全和土壤的可持续利用,对地区的经济发展和环境安全有重要意义.     

土壤重金属污染的微生物生态效应

就重金属污染对土壤微生物群落结构多样性、土壤微生物活性、土壤酶活性的生态影响以及重金属镉污染土壤的微生物学评价等领域的研究进展进行了综合述评,确定目前该领域研究存在的主要问题为研究方法的限制以及如何消除土壤各因子间的相互影响及土壤的异质性,并对今后研究趋势作了进一步展望,认为将微生物学性质的变化与金属形态特别是生物有效态联系起来加以研究,在综合研究重金属胁迫的微生物生态效应的基础上,选择多个指标来综合评价土壤的重金属污染,系统地对土壤多样性与重金属污染土壤的微生物和微生物过程的关系进行深入研究,特别是从分子及细胞水平来了解其机理将是今后的研究方向.     

水质监测中的微生物燃料电池技术及其进展

简述了微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)型生物传感器的工作原理,讨论了其在生化需氧量和有毒物质监测方面以及水质监测方面的研究进展,总结了其在实现原位监测、快速检测和综合分析过程中面临的挑战,最后对其发展趋势做出了展望。     

污泥接种比例对微生物燃料电池的影响

为了研究污泥接种比例对微生物燃料电池(MFC)的影响作用,对比了污泥接种比例分别为5%、10%、20%、40%的4组MFC在驯化时间、产电性能、阳极微生物含量及菌群结构等方面的差异.结果表明,接种污泥比例过低,会削弱阳极对微生物的选择作用;较高的污泥接种比例有利于缩短MFC的驯化时间,并可提高MFC电动势;但是过高的污泥接种比例可能造成PEM堵塞,导致内阻增加、最大功率密度降低;最佳的污泥接种比例为10%.     

重金属污染土壤原位微生物修复技术及其研究进展

介绍了重金属污染土壤微生物修复的主要原理,及微生物修复技术的现状和进展,分析了目前微生物修复存在的问题,指出了今后的研究方向与发展趋势,为重金属污染土壤微生物修复技术的理论研究和应用提供了参考.     

镁离子对微生物燃料电池阳极微生物产电性能的促进

为考察镁离子对微生物燃料电池阳极微生物产电性能的影响,利用电化学测量与高通量测序等方法对比研究不同浓度镁离子对微生物燃料电池阳极电势、电化学活性与阳极微生物群落结构等方面的促进作用.结果表明:当阳极底物中镁离子浓度分别为0.5(M1)、2.0(M2)和5.0 mmol/L(M3)时,微生物燃料电池阳极电势由对照组的-0.417 V(CK,vs.Ag/Ag Cl)分别降低至-0.443(M1)、-0.469(M2)和-0.477 V(M3).相应地,功率密度也由36.65 m W/m2(CK)分别提高至40.19(M1)、44.21(M2)和45.48 m W/m2(M3).此外,阳极微生物的电化学活性与产电微生物量均随阳极底物中镁离子浓度的升高得到显著提高,说明镁离子能够提高微生物燃料电池的功率输出,对胞外电子传递过程有重要作用.     

基于大肠杆菌催化的微生物燃料电池

使用不同PTFE含量的石墨/PTFE复合膜电极作微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)的阳极,通过大肠杆菌(Escherichia coli)的生物催化作用来获取电流.结果表明,细菌在电化学环境中会经历一个类似于自然选择的活化过程,经过电化学活化的细菌对葡萄糖的生物电催化活性显著提高.此外,复合电极中PTFE的含量能够显著影响微生物燃料电池中电流产生的效率.由恒阻和恒流2种放电模型得到的结果表明,在微生物燃料电池阳极上葡萄糖的电催化氧化涉及到2个动力学过程.     

生物阴极微生物燃料电池预处理酸性重金属矿井废水

采用以污泥+葡萄糖为有机底物,硫酸根离子为电子受体、碳毡吸附固定化硫酸盐还原菌为生物阴极、碳布为阳极的双室微生物燃料电池,处理模拟酸性重金属矿井废水.构建不同的外接电阻(分别为100Ω、1000Ω)MFC系统和开路常规生化处理对比,废水初始pH=4,Zn2+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、总Fe初始质量浓度均为20mg/L.结果表明,MFC外接电阻100Ω时,对Zn2+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、总Fe的去除率分别达到99.45%、99.68%、99.65%、98.34%、98.99%;COD、SO2-4的最大降解速率分别为83.4和23.9mg·L-1·d-1,比开路常规生化处理分别提高了15%和181%;同时pH有效提升至中性.表明了微生物燃料电池的对于传统生物法处理酸性矿井废水有预调节作用.     

不同污泥接种物对微生物燃料电池菌群形成的影响

为考察不同接种物对微生物燃料电池效能和细菌群落形成的影响,以瓶式空气阴极微生物燃料电池为反应器,采用中美两地污水厂污泥作为接种物,分别启动氧化铟锡玻璃平板阳极微生物燃料电池,研究不同接种物对于反应器的运行效能和微生物群落结构的影响.结果表明,中国污水厂污泥启动的反应器总体运行效能要优于美国污水厂污泥启动的反应器,表现在较短的反应器启动时间,较高的运行电压、输出功率密度和电流密度及COD去除效率.两种反应器的阳极群落也显示出巨大差异,中国污水厂污泥接种的微生物燃料电池反应器,其阳极物种多样性要高于美国污水厂污泥接种的反应器.前者的微生物主要分布在5个门中,而后者的微生物仅分布在3个门.原因与中方污泥未经过氯/脱氯处理有关.利用氧化铟锡玻璃作为微生物燃料电池阳极,提取了全部的阳极生物膜进行高通量测序,从而得到更加准确的数据用于后续分析.     

一种陆基微生物燃料电池供电的无线传感器网络

Aquatic Microbial Fuel Cell(AMFC) must be inoculated and work in water environment. Terrestrial Microbial Fuel Cell(TMFC) can overcome the shortcoming. In order to realize the practical application of TMFC, a single-hop Wireless Sensor Network(WSN) powered by a TMFC experimental setup is designed and established. Power generation performance of the TMFC and sensor data acquisition, wireless transmission and processing of the WSN are tested by experiments. Experimental results show that the proposed TMFC can drive the single-hop WSN periodically, which validates the feasibility of TMFC powered WSN.     

用于水污染重金属检测的微电极阵列传感器芯片

基于溶出伏安法,采用一种新型的汞膜金微电极阵列传感器芯片,实现了水污染痕量重金属离子Zn2+、Cd2+、Pb2+和Cu2+的同时检测.在K3［Fe(CN)6］溶液中对微电极阵列传感器进行循环伏安扫描,分析其电化学特性及实际表面积,采用电化学阻抗谱法检验微电极阵列传感器表面汞膜沉积的程度.镀汞后的微电极阵列传感器采用差分脉冲阳极溶出伏安法,同时检测样本溶液中的重金属元素:Zn2+、Cd2+、Pb2+和Cu2+,得到的Cd2+、Pb2+和Cu2+的标准工作曲线线性度良好,检测下限分别为0.1、0.5和0.3 μg/L,但Zn2+的标准工作曲线线性度较差,这主要是由测试基线的漂移及不准确的加标造成的.     

朱仙庄煤矿周边土壤有机质和重金属的含量研究

为了解煤矿周边土壤有机质含量对重金属的影响,以宿州朱仙庄煤矿周边的农田为研究对象,测定了其土壤中有机质及重金属(Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb)含量.结果表明: Cu、Zn、As、Cd、Pb金属元素有轻度积累,但不会影响农业生产和生活; Cd的单因子污染指数高于4, 污染风险等级高; 研究区土壤中的有机质平均含量为50.53 g/kg,但各采样点土壤中的有机质含量差异较大,变异系数为0.81; Cu和As在土壤表层出现积累,且积累含量与有机质的含量呈显著正相关.本文的研究结果对相关部门进行土壤环境质量调查以及土壤合理利用有一定的参考价值.     

厌氧生物反应器对农村垃圾滤液重金属去除效果研究

以江苏省徐州市铜山区某街道办事处的3个行政村生活垃圾为对象,设计了厌氧型垃圾生物反应器,研究了农村生活垃圾在反应器中的变化情况.研究表明:3个行政村生活垃圾中的重金属含量在初期含量都较高,随着反应时间进入产甲烷期,其含量迅速降低,设备通过对渗滤液的回流处理,使得渗滤液中Cr、Mn、Cd、Cu浓度在中后期下降明显.其中两个行政村生活垃圾中含有大量的水分和蛋白质,促进了厌氧微生物的生长繁殖,推动甲烷气的产生,使渗滤液pH值迅速上升,30周pH达到最高点8.24和8.33.而另外一个行政村生活垃圾由于渗滤液的大量流失,由于酸化水解阶段微生物对大量有机酸分解缓慢,造成反应器长时间处于低pH值域范围.     

掺加矿渣的土壤聚合物对重金属的固化

在土壤聚合物固化重金属时进行了掺加不同量高炉矿渣的实验，测定固化体的抗压强度、浸出毒性．试验结果表明，土壤聚合物掺加一定量的高炉矿渣固化重金属对不同的重金属固化效果不同，但总体来说，固化体的浸出毒性低于国家标准，抗压强度可迭30MPa以上，能用于建材．高炉矿渣的掺量在30％左右时抗压强度最好，浸出毒性则随着高炉矿渣掺量的增加而下降，所以利用土壤聚合物固化一定含量的重金属时，可以加入适当的高炉矿渣来减小浸出毒性．     

微生物燃料电池测定生活污水BOD方法

为缩短生化需氧量(BOD)检测时间,研究了一种基于空气阴极微生物燃料电池技术快速测定生活污水中BOD的方法.利用葡萄糖作为单一底物,研究电池电压输出和葡萄糖质量浓度的关系,发现二者遵循Monod方程式.在葡萄糖质量浓度小于100mg/L时,电压输出和葡萄糖质量浓度呈现良好的线性关系.利用空气生物燃料电池测定污水处理厂曝气沉砂池、初沉池和曝气池出水的BOD仅需10h,有效缩短了BOD的检测时间。     

五种重金属对蛋白核小球藻的动态毒性研究

以蛋白核小球藻为受试生物,以五种常见的重金属(铜、锰、镉、锌和铅)为研究对象,应用时间依赖微板毒性分析法系统测定不同浓度的五种重金属分别对蛋白核小球藻在7个不同暴露时间(12、24、36、48、60、72和96 h)的动态生长抑制效应数据,应用非线性最小二乘法拟合在不同暴露时间测定的浓度-效应数据。结果表明,两参数非线性函数Logit能够较好地拟合五种重金属对蛋白核小球藻在除了暴露时间12 h外的浓度-效应数据(R0.91,RMSE0.1);五种重金属对蛋白核小球藻的毒性先随着时间的延长而逐渐增加,在一定时间后,毒性几乎不再增加,即具有明显的的时间依赖性,但不同重金属随暴露时间的延长,其毒性变化规律不同,如铜、镉和锌的毒性从暴露时间12 h时就开始逐渐增强,在24 h增加速度最快,然后缓慢增加至72 h后几乎不再增加,而锰和铅的毒性在开始的12 h内几乎没有毒性,此后开始迅速增加,铅在24 h内的抑制效应甚至超过了50%,锰在24 h和48 h两个时间点迅速增加,然后毒性几乎不再增加;不同重金属的毒性大小顺序随时间的变化规律也不相同。     

乙酸钠为基质的微生物燃料电池产电过程

以多孔碳纸为阳极,耐水性电催化材料为阴极,设计了无媒介双室微生物燃料电池(MFC).以厌氧污泥为出发菌株,乙酸钠为底物,外接一定负载条件下,进行MFC产电过程研究.分别研究进水质量浓度在800 mg/L,1200 mg/L,1600 mg/L,2000 mg/L,以及在外电阻条件为400Ω、600Ω、800Ω、1000Ω,水力停留时间48 h时,负载两端的电压、功率密度、电化学池中生物量(VSS)和出水COD的变化规律.结果表明,进水质量浓度升高时,阳极池内生物量减少,COD去除率降低,MFC功率密度提高.在进水乙酸钠质量浓度为2000 mg/L时,MFC最高功率密度为35.71 mW/m2,电流密度为345 mA/m2.外电阻阻值降低后,平均出水COD升高,MFC电流升高,阳极池微生物产电能力增强.     

焦克公路沿线土壤中重金属的污染分布及形态分析

在焦作市焦克路段两侧农田布设监测点,对土壤中Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn和As含量进行测定和评价,并采用连续提取法对土壤重金属的化学形态进行了测定.结果表明:在距离公路路基15 m处污染达到峰值,综合污染指数达到6.147,然后随距离的增加污染减轻;重金属元素形态分析表明,土壤中重金属有效态占总量百分比的序列为:w(Pb)w(Ni)w(Cr)w(Cu)w(Cd)w(Zn)w(As),其中,Ni,Cd,Zn,Pb总量中化学形态分布从多到少的顺序为残渣态,Fe-Mn氧化态,有机结合态,可交换态,酸可提取态;Cu,As总量中化学形态分布从多到少的顺序为残渣态,有机结合态,铁锰氧化态,可交换态,酸可提取态;Cr总量中化学形态分布从多到少的顺序为残渣态,铁锰氧化态,有机结合态,酸可提取态,可交换态.