[发明专利]小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种土壤微生物检测技术，具体涉及小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的方法。

背景技术

土壤微生物是土壤物质转化和养分循环的重要执行者，土壤微生物活性的降低，意味着土壤受到不利因素如污染的胁迫，并导致土壤质量的降低。当前普遍采用生物学指标检测土壤微生物活性，所涉及的方法包括微生物生物量、微生物商、代谢商、土壤酶活性、碳源利用图谱和土壤微量热等指标。这些指标的检测需要经过多个实验步骤，操作繁琐并消耗较多试剂与人工。而且碳源利用图谱和土壤微量热等方法需要分别使用BIOLOG仪和微量热仪等价格昂贵的设备以及价格不菲的耗材，而且上述方法都不能实现连续实时监测。

微生物燃料电池是一类通过产电微生物的催化作用，把有机质的化学能转化为电能的装置，所产生的电流强度与产电微生物的代谢活性密切相关。土壤中存在大量具有产电功能的微生物，广泛分布于变形菌门、厚壁菌门等，通过分解土壤有机质产电。当土壤微生物受到不利因素如污染的胁迫时，土壤产电菌的产电能力会降低。

现有的生物学指标来指示污染土壤微生物活性的检测技术存在成本高、操作繁琐等问题，尤其是不能实现连续实时检测。而且，现有的采用土壤直接产电指示土壤污染的方法需要用较大的微生物燃料电池进行土壤装填。目前并未出现土壤悬液作为双室微生物燃料电池阳极体系并利用其产电信号指示污染土壤微生物活性的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种指示污染土壤微生物活性的新方法。本发明克服现有技术中存在的不足和缺陷，具有运行成本较低、操作简单和检测效率高的优势，而且可以实现对土壤微生物活性的连续实时检测。

本发明采用的技术方案如下：

小型化集成式微生物燃料电池指示污染土壤微生物活性的方法，检测对象为污染土壤提取的悬液；采用集成式微生物燃料电池，其由若干个双室微生物燃料电池固定在集成板上形成；具体操作包括如下步骤：

① 制备污染土壤悬液样品：用蒸馏水或去离子水稀释污染土壤，振荡后静置或震荡后离心，吸取上层土壤悬液；向土壤悬液中添加并溶解葡萄糖或乙酸钠，葡萄糖和乙酸钠所用的质量不超过土壤悬液体积的2%，也可将葡萄糖与乙酸钠在上述范围内混合加入并溶解于土壤悬液中；将土壤悬液加入双室微生物燃料电池的阳极室内；

② 配制铁氰化钾的磷酸缓冲盐溶液：铁氰化钾浓度范围从50mM至200mM，磷酸盐缓冲液的pH调至7，浓度从50mM至200mM，然后将铁氰化钾的磷酸缓冲盐溶液灌满至双室微生物燃料电池的阴极室；

③ 运行集成式微生物燃料电池：将每个双室微生物燃料电池中的阳极和阴极通过导线与负载串联，负载阻值范围在10 Ω至1000 Ω之间，采用数据采集器或万用表实时连续记录负载两端的电压或电流，72小时后停止记录；将电压数据根据公式（1）和（2）换算成电量，或将电流数据根据公式（2）换算成电量：

I (电流, A)=U(电压, V) / R (外阻, Ω)                            （1）

Q (电量, C) = I (电流, A) × t (时间, s)                            （2）

④ 采用微生物燃料电池运行期间产生的电量作为检测土壤微生物活性的指标，电量电池运行期间的产电电量越低表明土壤污染毒性越大，土壤微生物活性越低。

所述污染土壤为所有的土壤类型，其污染物包括重金属污染、有机物污染或者酸碱污染。

所述双室微生物燃料电池包括阳极、阴极、阳极室、阴极室、阳极室外裙边、阳极室内裙边、阴极室外裙边、阳极室内裙边、导线口、进水口、出水口、隔膜、胶垫、导线、负载、螺栓和螺帽；阳极和阴极材料分别填满阳极室和阴极室；所述胶垫和隔膜设置在阳极室和阴极室之间。

所述阳极或阴极的材料为碳毡、碳布、碳刷、活性炭颗粒、石墨颗粒、不锈钢网或钛网。

所述双室微生物燃料电池的阳极室和阴极室工作体积均小于30 cm³。

所述隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜、超滤膜、微滤膜、全氟磺酸树脂膜、玻璃纤维膜或聚碳酸酯膜。

所述集成板上设有用于固定双室微生物燃料电池的槽口，微生物燃料电池的阳极室外裙边、阳极室内裙边以及阴极室外裙边和阴极室内裙边插入槽口内。

所述集成板上标记有编号，编号对应不同位置的双室微生物燃料电池，使得不同的污染土壤悬液与其产电数据实现一一对应。