[发明专利]一种用于水体中硝酸盐预警的方法

说明书

本发明涉及一种用于水体中硝酸盐预警的方法，其通过监测基于开路运行的微生物电化学传感器的阳极和阴极之间的电压变化实现水体中硝酸盐的预警。与通路模式下相比，通过在开路模式下运行微生物电化学传感器较可以提升预警水环境硝酸盐的敏感性2‑6倍，且受水体中背景有机物浓度的信号干扰较小，同时在有机物和硝酸盐的联合冲击下仍能有效预警，且在长期运行过程中稳定性较强。本发明为硝酸盐的实时在线预警提供了一种全新有效的方式，对于饮用水安全和人体健康提供了强大的保障。

技术领域

本发明属于水环境监测技术领域，具体涉及一种将基于开路运行的微生物电化学传感器用于水体中硝酸盐预警的方法。

背景技术

随着经济和社会的发展，人口压力越来越大，因而农业生产中氮肥的施用量大量增加，但是由于氮肥的施用效率较低，从而导致水体中硝酸盐浓度呈上升趋势。而过高的硝酸盐浓度一方面加剧水体富营养化程度从而威胁生态安全，另一方面也会危害人体健康，这就需要对水环境中硝酸盐浓度进行监测。目前对于硝酸盐浓度的监测主要是进行离线检测，相比较于原位在线监测缺乏时效性。目前应用硝酸根离子选择性电极(ISE)可以进行水体中硝酸盐的原位测定，但是受到其测量原理的限制，长期放置于水体中会导致电极内置液泄露，造成测量基线漂移，使得测量准确性受到影响，而便携式紫外-可见光分光光度计虽然也可以用于硝酸盐的原位测定，但是由于该装置容易受到水体浊度的影响及其昂贵的造价，从而使得该装置的使用受限。

基于微生物燃料电池(MFC)的生物传感器能够原位实时监测和预警水体有机物和重金属离子，因为有机物作为产电菌的能量来源和电子供体，而重金属作为毒性物质会直接抑制细菌的活性，二者均会引起外电路电信号的改变。虽然硝酸盐既不是电子供体又不会对细菌造成直接毒害作用，但是Bingchuan(Liu,B.；Lei,Y.；Li,B.,A batch-mode cubemicrobial fuel cell based“shock”biosensor for wastewater qualitymonitoring.Biosensors and Bioelectronics 2014,62,308-314)构造的单室型MFC能够原位预警硝酸根的浓度冲击：当进水中出现一定量的硝酸盐时，外电路电压发生了下降。作者分析认为造成外电路电压下降的原因是由于硝酸根在阳极消耗掉本应通过外电路传递给阴极的电子，但是下降的程度很小(电压下降比不足5％)，灵敏度较低，因而不具备实际应用的可能。分析造成灵敏度受限的原因为：由于MFC biosensor在通路运行条件下通常以最优外阻模式运行，此时的阳极电位相对较高(100～200mV)，而Pous(Pous,N.；Puig,S.；Dolors Balaguer,M.；Colprim,J.,Cathode potential and anode electron donorevaluation for a suitable treatment of nitrate-contaminated groundwater inbioelectrochemical systems.Chemical Engineering Journal 2015,263,151-159)研究发现较高的阳极电位不利于反硝化过程的发生。再加上进水中有机物作为“燃料”，其浓度对检测敏感度也具有很大影响。特别地，当进水中有机物浓度和硝氮浓度均升高时，此时预警硝酸盐就会存在极大的困难。

因此，目前存在的问题是急需研究开发一种实用敏感的水体中硝酸盐实时原位预警方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于水体中硝酸盐预警的方法，其通过监测基于开路运行的微生物电化学传感器的阳极和阴极之间的电压变化实现水体中硝酸盐的预警。本申请的发明人研究发现，在开路状态下阳极具有最低的电位，也就最有利于反硝化的进行，并且在断开外电路的同时，也切断了电子通过外电路传递到阴极的过程，这样可以使得硝酸根几乎成为电子唯一的受体，从而使得微生物电化学传感器的敏感性得到极大提升。

为此，本发明提供了一种用于水体中硝酸盐预警的方法，其包括如下步骤：