专利名称：用于水质在线监测的检测装置及水质在线监测方法
技术领域：
本发明涉及环境监测的技术领域，尤其涉及一种用于水质在线监测的检测装置及水质在线监测方法。
背景技术：
水安全对人类的影响是多方面的，涉及到自然及社会人文的各个方面。因此，水质监测受到了国内外专家学者、各国政府和国际组织的广泛关注。生物化学需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)作为水质监测的重要指标，国际标准为5日BOD法，但其操作繁琐、耗时，还需要熟练的技术，且不能及时反映水质变化(Liu et al. , Biosens. Bioelectron. , Vol. 20, 562 (2004) ) 近年来所发展的 BOD 的快速测量都是基于微生物同化有机物反应的同时将电子传递给氧气的原理，但是，由于氧气在水中的溶解度有限，对于高浓度的有机物样品需要经过稀释才能测量，从而大大降低了结果的准确性。另一方面，由于氧气受温度、气压影响而变化很大，这会引起测量结果的波动，如果附加一个氧气平衡装置也会使结果带来扰动(Lei et al. , Anal. Chim.Acta, Vol. 568, 200 (2006) ; Du et al. , Biotechnol. Adv. , Vol. 25, 464 (2007))。此外，随着人类生产活动的发展，大量既不是人体组成成分，也不是人体所需营养物质或维持正常生理功能必须的化学品被不断排放到水中，这些有毒有害的化学品通过食物链的放大作用进入人体内，可能会�：θ颂褰】瞪踔辽�。因此，对水体毒性进行检测及监测是评价水体是否受到到污染以及判断污染程度的重要手段。目前，蛙类、鱼类、小鼠、浮游生物、海藻等生物已被用于水体毒性检测，但是，上述生物进行水体毒性检测时具有测试周期长、成本高、操作复杂等缺点，不仅难以推广，而且不能满足现场快速检测需要。现有国际标准IS011348-3规定使用深海发光细菌V. fischeri作为受试生物，实现了快速检测的需要，但是也存在诸多不足首先，为了平衡渗透压，测试必须在高盐度条件下进行，可能会引起样品中某些化学品性质的改变，而且盐度校正会导致假阴性的结果；其次，对于一些溶解度低的样品，则会由于毒物的析出而导致假阳性结果；再次，该方法采用荧光检测，检测信号易受水体浑浊和颜色的影响；最后，发光细菌在自然界中不是普遍存在的微生物，获得和保存较为困难，商品发光细菌价格较为昂贵，导致检测成本较高。近年来，一种利用人工媒介体作为探针的水质监测方法逐渐发展起来。所述的人工媒介体，是指在生物呼吸链中相对于自然的电子受体氧而人为加入的接受电子并进行电子传递的物质。在人工媒介体作为探针的水质监测方法中，微生物通过呼吸作用将电子传递给人工媒介体，再以还原态的人工媒介体作为目标探针进行检测，很好地解决了以氧为检测目标带来的氧气浓度波动等问题；同时，当毒性物质存在时，微生物的呼吸作用受到抑制，进而阻碍微生物和电子媒介体之间的电子传递。据此，基于微生物的利用人工媒介体为检测探针的水质监测方法逐渐获得发展，如公开号为WO 023770的欧洲专利公开了一种利用电子媒介法检测水体生化需氧量和毒性的方法，这种方法将微生物培养后直接加入到待测水样中，使其对水样中的有机物进行降解，从而获得水体生化需氧量和毒性的检测结果，但是，这种方法采用游离微生物，每次检测前都需要进行微生物的培养、离心、清洗等过程，消耗时间和成本，无法进行水质的在线监测。Pasco等人将铁氰化钾引入Micredox系统,通过测定不同毒性物质对微生物呼吸作用的影响导致铁氰化钾的电子传递速率变化，证实该系统可用于水体毒性检测，但其也同样使用游离微生物，无法实现在线监测。Morris等人公开了一种利用包埋式固定微生物进行水质监测的方法，其将微生物包埋于包埋材料中得到固定微生物，然后将该固定微生物用于电子媒介体法检测生化需氧量和毒性，虽然该方法可实现水质的在线监测，但是，其采用包埋的方式对微生物进行固定，微生物被包埋于包埋材料中，会影响传质和微生物的活性，从而影响微生物对水样中有机物的降解，最终影响检测结果的准确度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于水质在线监测的检测装置及水质在线监测方法，本发明提供的检测装置中的微生物具有较高的活性和良好的传质过程，可以实现水质的在线监测，且检测结果较为准确。 本发明提供了一种用于水质在线监测的检测装置，包括进样装置；进样口与所述进样装置的出样口相连的微生物固定装置，所述微生物固定装置为微生物膜反应器，所述微生物膜反应器包括容器和设置于所述容器中的微生物膜；所述微生物膜包括微生物载体和附着于所述微生物载体上的微生物；所述微生物膜反应器置于恒温装置中；进样口与所述微生物膜反应器的出样口相连的电化学检测装置，所述电化学检测装置包括检测池；设置于所述检测池中的电极系统；与所述电极系统相连的电化学工作站；和控制所述电化学工作站的程序控制装置。优选的，所述进样装置包括缓冲溶液存储装置、水样存储装置和微生物培养装置；分别与所述缓冲溶液存储装置、水样存储装置和微生物培养装置的出口相连的四位三通电磁阀；进口与所述四位三通电磁阀相连的螺动泵。优选的，所述微生物膜反应器中，所述微生物载体具有多孔结构、微孔结构、介孔结构或纤维结构。优选的，所述微生物载体为碳纤维、碳纤维毡、石墨烯、石墨烯水凝胶、碳纳米管、海藻酸盐、卡拉胶、萘酚、琼脂、壳聚糖、多孔陶土、微孔玻璃、聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶、聚氨酯和接枝聚合物中的一种或多种。优选的，所述微生物为细菌、真菌和藻类中的一种或多种。优选的，所述电化学检测装置中，所述电极系统为三电极系统，包括工作电极、参比电极和对电极；所述工作电极的材料为钼、金或碳； 所述参比电极Ag/AgCl电极；所述对电极为钼丝电极。
优选的，所述微生物膜按照以下方法制备将培养后的微生物附着于微生物载体上；或者在微生物载体表面培养微生物。本发明还提供了一种水体水质的在线监测方法，包括以下步骤a)将待测水样和人工媒介体加入到上述技术方案所述的检测装置中进行检测，得到所述待测水样的电流值；b)根据所述步骤a)得到的待测水样的电流值，计算得到所述待测水样的水质监测指标。优选的，所述待测水样的水质监测指标包括生化需氧量和毒性。
本发明提供了一种用于水质在线监测的检测装置，包括进样装置；进样口与所述进样装置的出样口相连的微生物固定装置，所述微生物固定装置为微生物膜反应器，所述微生物膜反应器包括容器和设置于所述容器中的微生物膜；所述微生物膜包括微生物载体和附着于所述微生物载体上的微生物；所述微生物膜反应器置于恒温装置中；进样口与所述微生物膜反应器的出样口相连的电化学检测装置，所述电化学检测装置包括检测池；设置于所述检测池中的电极系统；与所述电极系统相连的电化学工作站；和控制所述电化学工作站的程序控制装置。在本发明提供的检测装置中，微生物附着于所述微生物载体的表面，不会对微生物产生包埋，从而不会影响微生物的活性，有利于传质过程的进行；同时，将微生物附着于微生物载体的表面，不仅无需对载体进行表面处理等繁琐操作，而且微生物在微生物载体表面的附着量较高，能够较彻底地实现对有机物的降解，得到的检测结果具有较高的准确度。实验结果表明，以本发明提供的检测装置在对水样生化需氧量和毒性进行检测时，得到的结果更加准确。另外，本发明提供的微生物膜反应器无需进行前期的微生物实验室培养工作，所吸附的微生物在连续的分析测试过程中能保持生理活性状态，能够重复使用，节约了检测时间和成本，适合水质生化需氧量的在线快速监测，具有较强的实用性。
图I为本发明实施例提供的检测装置的结构示意图；图2为本发明实施例I所用的碳纤维毡的光学显微镜照片；图3为本发明实施例I制备的微生物膜的光学显微镜照片；图4为本发明实施例I得到的标准曲线；图5是本发明实施例3得到的检测结果与BOD5法的结果的比较图。
具体实施例方式本发明提供了一种用于水质在线监测的检测装置，包括进样装置；进样口与所述进样装置的出样口相连的微生物固定装置，所述微生物固定装置为微生物膜反应器，所述微生物膜反应器包括容器和设置于所述容器中的微生物膜；所述微生物膜包括微生物载体和附着于所述微生物载体上的微生物；所述微生物膜反应器置于恒温装置中；进样口与所述微生物膜反应器的出样口相连的电化学检测装置，所述电化学检测装置包括检测池；设置于所述检测池中的电极系统；与所述电极系统相连的电化学工作站；和控制所述电化学工作站的程序控制装置。本发明提供的用于水质在线监测的检测装置包括进样装置。本发明对所述进样装置没有特殊限制，优选包括缓冲溶液存储装置、水样存储装置和微生物培养装置；分别与所述缓冲溶液存储装置、水样存储装置和微生物培养装置的出口相连的四位三通电磁阀；进口与所述四位三通电磁阀相连的螺动泵。所述缓冲溶液存储装置用于储存缓冲溶液，所述缓冲溶液能够为微生物提供适宜 的PH值生存环境，保证微生物的生理活性；所述水样存储装置用于存储待测水样和/或标准水样；所述微生物培养装置用于存储微生物培养液。在本发明中，所述缓冲溶液存储装置、水样存储装置和微生物培养装置可以由一个装置实现，也可以根据实际情况增设若干存储装置，本领域技术人员可以根据需要进行调整。所述缓冲溶液存储装置、水样存储装置和微生物培养装置分别通过进样管与四位三通电磁阀相连，缓冲溶液、水样、微生物培养液等分别通过该四位三通电磁阀进入微生物膜反应器；所述进样装置还包括与所述四位三通电磁阀相连的蠕动泵，该蠕动泵的出口与所述微生物膜反应器的进样口相连。上述进样装置能够减少待测水样、标准水样和微生物培养液之间的相互影响，有利于实现水体水质的在线监测。在本发明中，所述监测装置包括微生物固定装置和恒温装置，所述微生物固定装置为微生物膜反应器。所述微生物膜反应器的进样口与所述进样装置的出样口相连；所述微生物膜反应器包括容器和设置于所述容器中的微生物膜；所述微生物膜包括微生物载体和附着在所述微生物载体表面的微生物；所述微生物膜反应器置于恒温装置中。微生物膜是指包括微生物相和非生命介质的稳定体系，在本发明中，所述非生命介质即为微生物载体。本发明提供的微生物膜包括微生物，本发明对所述微生物的种类没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的微生物的种类即可，在本发明中，所述微生物可以细菌、真菌和藻类中的一种或多种；本发明对所述微生物的来源没有特殊的限制，可以为市售的菌种，也可以为含有微生物的自然水源。在本发明中，所述微生物膜包括微生物载体，所述微生物载体可以具有多孔结构、微孔结构、介孔结构或纤维结构，包括但不限于碳纤维、碳纤维毡、石墨烯、石墨烯水凝胶、碳纳米管、海藻酸盐、卡拉胶、萘酚、琼脂、壳聚糖、多孔陶土、微孔玻璃、聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶、聚氨酯和接枝聚合物中的一种或多种，优选为碳纤维或碳纤维毡，更优选为碳纤维毡，当用于监测水体中生化需氧量时，碳纤维毡能够发挥比其他载体更好的作用，使得检测结果更为准确。在本发明中，所述微生物附着在所述微生物载体上，其并未形成包埋，不会对微生物的活性和传质造成影响，使得微生物膜具有较高的微生物活性和良好的传质；同时，将微生物附着于微生物载体的表面，不仅无需对载体进行表面处理等繁琐操作，而且微生物在微生物载体表面的附着量较高，能够较彻底地实现对有机物的降解，得到的检测结果具有较高的准确度。而且，本发明将微生物附着于微生物载体上，从而实现了微生物的固定化，使得到的微生物膜能够重复使用，将其用于水样生化需氧量的检测时，节约了检测时间和成本，有利于实现快速监测。在本发明中，所述微生物载体最优选为碳纤维毡。所述碳纤维毡具有较好的生物相容性，能够较好的支持微生物的繁殖和生长，在实现微生物固定前无需对微生物载体进行表面处理等繁琐操作，从而降低了成本，有利于快速监测的需要。在本发明中，所述微生物膜优选按照以下方法制备将培养后的微生物附着于微生物载体上；或者在微生物载体表面培养微生物。本发明可以采用附着法，也可以采用原位培养的方法对微生物进行培养，得到包括微生物载体和附着在所述微生物载体表面的微生物的微生物膜。在本发明中，所述附着法具体包括以下步骤将培养后的微生物附着于微生物载体上；本发明首先将微生物进行微生物培养，本发明对所述微生物培养的方法没有特殊的限制，采用本领域人员熟知的微生物培养的技术方案即可。本发明可以将微生物加入到培养基中，所述微生物在培养基中繁衍生长，完成微生物的培养。本发明对所述微生物没有限制，采用本领域技术人员熟知的微生物即可，本发明对所述微生物的种类没有特殊的限制，可以为细菌、真菌或藻类中的一种或多种；本发明对所述微生物的来源没有特殊的限制，可以为市售的菌种，也可以为含有微生物的自然水源；本发明对所述培养基没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的培养基即可。在本发明中，所述微生物培养的温度优选为200C 55°C，更优选为25°C 40°C ;所述微生物培养的时间优选为I小时 200小时，更优选为5小时 150小时，最优选为10小时 100小时。完成微生物的培养后，本发明将培养后的微生物与微生物载体混合，使所述培养后的微生物附着于所述微生物载体的表面，即可得到微生物膜。本发明也可以采用原位培养的方法得到微生物膜，具体过程如下在微生物载体表面培养微生物。本发明直接以微生物载体为介质，在其表面进行微生物培养，得到微生物膜反应器。本发明优选将微生物载体、微生物和培养基混合，所述微生物在培养基提供的营养下，在微生物载体的表面进行繁衍和生长，从而得到微生物膜。本发明对所述微生物没有限制，采用本领域技术人员熟知的微生物即可，本发明对所述微生物的种类不限，可以为细菌、真菌和藻类中的一种或多种，本发明对所述微生物的来源没有特殊的限制，可以为市售的菌种，如市售大肠杆菌，也可以为含有微生物的自然水源；所述微生物培养的温度优选为200C 55°C，更优选为25°C 40°C ;所述微生物培养的时间优选为I小时 200小时，更优选为2小时 150小时，最优选为10小时 100小时。本发明可以采用市售的菌种进行微生物培养，也可以以含有微生物的自然水源作为微生物的菌种将其进行微生物培养，得到的微生物膜中的微生物种类较多，能够对水样中多种的有机物进行降解；而且，采用含有微生物的自然水源作为微生物的菌种，得到的微生物膜中的微生物对菌种来源的水样中的微生物具有特异性的降解能力，所得结果更具有针对性，更准确，更适合水质的在线检测，增强了微生物膜的实用性。本发明提供的微生物膜反应器还包括容器，所述容器用于容纳上述技术方案所述的微生物膜，本发明对所述容器没有特殊的限制，能够容纳所述微生物膜即可。在本发明中，所述容器可以为试管、离心管或烧杯等，优选为带有进样口和出样口的容积为2mL的有机玻璃容器。按照上述方案得到微生物膜后，将所述微生物膜置于容器中，即可得到微生物膜反应器。对此，本发明没有特殊限制。在本发明提供的检测装置中，所述微生物膜反应器置于恒温装置中。本发明对所述恒温装置没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的恒温装置即可。本发明提供的检测装置还包括电化学检测装置，所述电化学检测装置包括检测池；设置于所述检测池中的电极系统；与所述电极系统相连的电化学工作站；和控制所述电化学工作站的程序控制装置。所述电化学检测装置的进样口与所述微生物膜反应器的出样口相连。在本发明中，所述电化学检测装置通过样品管与所述微生物膜反应器相连。
在本发明中，所述程序控制装置优选为计算机。在本发明中，所述程序控制装置、电化学工作站、电极系统优选依次通过第一数据线和第二数据线相连，所述电极系统置于所述检测池中，对所述检测池中的反应液进行检测。参看图1，图I为本发明实施例提供的检测装置的结构示意图，其中，I为计算机，2为第一数据线，3为电化学工作站，4为第二数据线，5为电极系统，6为检测池，7为缓冲溶液杯，8为水样杯，9为微生物培养液杯，10为第一进样管，11为第二进样管，12为第三进样管，13为四位三通电磁阀，14为第一连接管，15为第二连接管，16为螺动泵，17为微生物膜反应器，18为恒温装置，19为出样管。其中，计算机I、电化学工作站3和三电极系统5分别通过第一数据线2和第二数据线4顺次连接；第一进样管10、第二进样管11和第三进样管12分别插入缓冲溶液杯7、水样杯8和微生物培养液杯9中，四位三通电磁阀13分别连接第一进样管10、第二进样管11和第三进样管12 ;四位三通电磁阀13、第一连接管14、蠕动泵16、第二连接管15、微生物反应器17和出样管19依次连接；微生物反应器17放置于恒温装置18中。所述检测装置的工作过程如下首先将微生物载体加入微生物膜反应器17中，调节恒温装置18的温度为30°C ；然后向微生物培养液杯9中加入含有微生物的菌种，经由第二进样管11由蠕动泵16泵入微生物膜反应器17中，在微生物膜反应器17中进行微生物培养，在所述微生物载体的表面附着大量的微生物，形成固定微生物；在泵入微生物膜反应器17的同时，由缓冲溶液杯7经第一进样管10向微生物膜反应器17中加入pH为7的磷酸盐缓冲液；向水样杯9中加入待测水样、葡萄糖谷氨酸标准溶液和人工媒介体溶液，经由第三进样管12、四位三通电磁阀13、第一连接管14、蠕动泵16、第二连接管15向所述微生物膜反应器17中加入葡萄糖谷氨酸标准溶液和人工媒介体溶液，恒温30°C保温后，得到反应液；所述反应液经由出样管19进入到检测池中，采用工作电极、参比电极和对电极的三电极系统对所述检测池中的反应液进行电化学检测，得到反应液的电流值。得到该待测水样反应液的电流值后，经过计算即可得到待测水样的水质。在本发明中，水体水质可以包括生化需氧量和毒性，具体而言，生化需氧量按照以下方法计算
根据预定的标准曲线和所述待测水样反应液的电流值进行计算，即可得到待测水样的生化需氧量，其中，标准曲线以标准溶液反应液电流值为纵坐标，标准溶液生化需氧量浓度为横坐标，经过线性拟合后得到；得到反应液的电流值后，将其代入上述标准曲线，即可得到待测水样的生化需氧量。毒性按照以下方法计算得到所述待测水样检测结果后，按照相同方法得到空白水样的检测结果，然后根据式(I)所示公式计算电流抑制率
权利要求
1.一种用于水质在线监测的检测装置，包括 进样装置； 进样口与所述进样装置的出样口相连的微生物固定装置，所述微生物固定装置为微生物膜反应器，所述微生物膜反应器包括容器和设置于所述容器中的微生物膜；所述微生物膜包括微生物载体和附着于所述微生物载体上的微生物；所述微生物膜反应器置于恒温装置中； 进样口与所述微生物膜反应器的出样口相连的电化学检测装置，所述电化学检测装置包括检测池；设置于所述检测池中的电极系统；与所述电极系统相连的电化学工作站；和控制所述电化学工作站的程序控制装置。
2.根据权利要求I所述的检测装置，其特征在于，所述进样装置包括 缓冲溶液存储装置、水样存储装置和微生物培养装置； 分别与所述缓冲溶液存储装置、水样存储装置和微生物培养装置的出口相连的四位三通电磁阀； 进口与所述四位三通电磁阀相连的蠕动泵。
3.根据权利要求I所述的检测装置，其特征在于，所述微生物膜反应器中，所述微生物载体具有多孔结构、微孔结构、介孔结构或纤维结构。
4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述微生物载体为碳纤维、碳纤维毡、石墨烯、石墨烯水凝胶、碳纳米管、海藻酸盐、卡拉胶、萘酚、琼脂、壳聚糖、多孔陶土、微孔玻璃、聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶、聚氨酯和接枝聚合物中的一种或多种。
5.根据权利要求I所述的检测装置，其特征在于，所述微生物为细菌、真菌和藻类中的一种或多种。
6.根据权利要求I所述的检测装置，其特征在于，所述电化学检测装置中，所述电极系统为三电极系统，包括工作电极、参比电极和对电极； 所述工作电极的材料为钼、金或碳； 所述参比电极Ag/AgCl电极； 所述对电极为钼丝电极。
7.根据权利要求I所述的检测装置，其特征在于，所述微生物膜按照以下方法制备 将培养后的微生物附着于微生物载体上；或者在微生物载体表面培养微生物。
8.一种水体水质的在线监测方法，包括以下步骤 a)将待测水样和人工媒介体加入到权利要求广7任意一项所述的检测装置中进行检测，得到所述待测水样的电流值； b)根据所述步骤a)得到的待测水样的电流值，计算得到所述待测水样的水质监测指标。
9.根据权利要求8所述的在线监测方法，其特征在于，所述待测水样的水质监测指标包括生化需氧量和毒性。
全文摘要
本发明提供了一种用于水质在线监测的检测装置，包括进样装置；进样口与所述进样装置的出样口相连的微生物固定装置，所述微生物固定装置为微生物膜反应器，所述微生物膜反应器包括容器和设置于所述容器中的微生物膜；所述微生物膜包括微生物载体和附着于所述微生物载体上的微生物；所述微生物膜反应器置于恒温装置中；进样口与所述微生物膜反应器的出样口相连的电化学检测装置，所述电化学检测装置包括检测池；设置于所述检测池中的电极系统；与所述电极系统相连的电化学工作站；和控制所述电化学工作站的程序控制装置。本发明还提供了一种水质在线监测方法。以本发明提供的在线监测装置在对水样的生化需氧量和毒性进行检测时，结果较为准确。
文档编号G01N27/26GK102796660SQ20121030835
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年8月27日
发明者董绍俊, 刘玲, 雍达明, 翟俊峰 申请人:中国科学院长春应用化学研究所
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