[发明专利]一种基于电化学活性微生物同步检测BOD和硝态氮的方法

说明书

本发明涉及一种基于双向电子传递电化学活性微生物同步检测水体中生化需氧量和硝态氮含量的方法，主要针对现有水体水质生化需氧量和硝态氮检测过程中存在的检测迟滞、操作复杂、成本高昂以及无法同步检测的问题。本方法通过构建以具有双向电子传递能力的电化学活性微生物为核心的生物电化学系统，设置阶跃电势分别测量系统的产电能力和亲电能力，利用系统产电时的输出电流信号、亲电时的输入电流信号以及生化需氧量和硝态氮的标曲模型，即可实现对水体中生化需氧量和硝态氮的快速实时检测。

技术领域

本发明涉及水质检测领域，具体涉及通过电化学活性微生物进行水体水质检测。

背景技术

随着我国工业化和城市化快速发展，人民生活水平有了极大的改善，但作为工业化和城市化的副产物，工业废水和城市污水的排放量也急剧上升，对水体的污染也日趋广泛和严重。根据2018年环境公报显示，我国地表水水质状况仍不容乐观，作为重要的地表水水源地，7大流域中5大流域出现了不同程度的污染，黄河流域、松花江流域和淮河流域呈现轻度污染，而海河流域和辽河流域已中度污染并均出现了生化需氧量(biochemicaloxygen demand,BOD)明显超标。水体中BOD直接反映了可生化有机物的含量，BOD超标会促进水体中微生物的大量生长并降低水体溶解氧，造成水质腐败和恶臭。另一方面，作为渔业等生产生活资料的近海海域、湖泊和水库则由于氮肥的过量使用也出现了不同程度的水质恶化，无机氮含量在四大近海海域均明显超标，且已成为湖泊和水库水体污染的主要污染物。水体中无机氮包括硝态氮、亚硝态氮和氨氮三个形态，其中硝态氮是浮游藻类等水生生物利用氮素生长的主要形态，水体中较高的硝态氮会刺激藻类生长并导致水体的富营养化。因此，监测水体中生化需氧量和硝态氮含量是防治水体污染和保护生态环境的重要环节。

根据《中华人民共和国环境保护行业标准》，BOD检测主要有稀释与接种法和微生物传感器快速测定法。传统的稀释与接种法往往需要较长的检测周期(通常为5天)，检测结果明显滞后于实时水况；尽管微生物传感器快速测定法可以弥补这一不足，实现BOD的快速检测，但需要消耗特制的固定化微生物电极，提高了检测成本。另一方面，硝态氮作为一项理化指标，主要采用酚二磺酸分光光度法、紫外分光光度法、离子色谱法等理化方法，这些方法不仅需要借助复杂的检测设备和繁琐的操作流程，还可能造成二次污染。更重要的是，目前尚没有同步检测水体BOD和硝态氮的检测设备，现有的BOD和硝态氮检测技术分别基于生物学方法和理化方法，增加了水质检测的经济成本和技术门槛。因此，针对现有BOD和硝态氮检测中存在的问题，建立一种检测迅速、操作简便和环境友好的可实时在线检测技术，实现对水体中BOD和硝态氮同步检测具有重要意义。

基于电化学活性微生物的水质检测技术有望实现这一功能。电化学活性微生物是一种具有胞外电子传递能力，可实现化学能和电能双向转换的特殊环境微生物。早期大量研究发现部分电化学活性微生物可以利用不溶性固体例如电极作为电子受体，将呼吸链代谢产生的电子跨膜传递至胞外，这称为产电过程。已有研究发现电化学活性微生物的产电能力与水体中可生化有机物含量在一定范围内具有良好的线性关系，基于这一特性可在1h内实现对水体中BOD的实时在线检测。另一方面，自然界中部分电化学活性微生物还具有亲电功能，即直接利用胞外电子还原可溶性电子受体并维持自身的生长代谢。硝酸根是一种常见的可溶性电子受体，通过将电极上的电子转移到胞内，某些电化学活性微生物能够以硝酸根作为电子受体完成呼吸链电子传递并维持自身代谢。这表明，水体中可溶性硝酸根浓度可直接影响这一电子跨膜进入胞内的进程，基于其电子输入速率可能可以实现对水体中硝酸根浓度的检测。然而目前，关于电化学活性微生物亲电过程和亲电机制的研究还比较少，利用电化学活性微生物检测水体硝态氮的方法和技术也还尚未见报道，而整合电化学微生物独特的产电功能和亲电功能，则有望实现水体中可生化有机物与硝态氮的同步检测，其可行性也有待进一步研究。

发明内容