[实用新型]一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器

说明书

本实用新型提供一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器，包括曝气装置、信号采集装置、多个微生物燃料电池和支架，支架包括横隔板，每个燃料电池的阴极位于横隔板上方，阳极位于横隔板下方，阴极和阳极均固定于支架上，阳极通过导线连接阴极，导线上设置电阻，N个阴极至少一个位于沉积物的上覆水中，阳极全部没入沉积物中，N个阴极位于不同高度，信号采集装置分别连接各个微生物燃料电池，曝气装置于上覆水中为各个微生物燃料电池的阴极提供氧气。本实用新型所述系统和方法灵敏度高、结构简单、建造运行和维护成本低，是一种有效监测沉积物膨胀高度的方法和技术。

技术领域

本实用新型属于环境监测技术领域，具体涉及一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器。

背景技术

沉积物是湖泊的三大组成要素(水，沉积物和水生生物)之一，是湖泊营养物质地球化学循环的重要环节与界面。沉积物中的有机质是水生生物的重要营养源，在区域碳收支计算中不容忽视，其来源主要包括内源输入和外源输入两种，其中内源有机质主要是水体生产力本身产生的动植物残体、浮游生物及微生物等的沉积而得，外源输入主要是通过外界水源补给过程中携带进来的颗粒态和溶解态有机质。近几十年来，随着区域环境气候变化和人类活动干扰加剧，湖泊沉积物中有机质含量增加，导致大部分湖泊尤其是浅水湖泊面临水体富营养化、湖泊沼泽化等重大问题。以太湖为例，位于其东部湖区南段的东太湖，沼泽化发展速度远远超过湖泊沉积的自然演化过程，主要由于东太湖是太湖水生植被的主要分布区，而这些水生植被死亡后，储存了大量营养物质的植物残体沉积于湖底，加速了湖底淤积和沼泽化；由于氮、磷等营养物质的富集，位于太湖北部的梅梁湾、竺山湾和贡湖湾成为蓝藻水华频繁爆发的区域，蓝藻死亡后，一部分残体也沉降到湖底沉积物中。

沉积物中的有机质变化包括矿化和腐殖化两个过程。当植物、藻类等有机残体沉降到沉积物表面时，有机质中易降解部分经环境中的微生物分解为CO₂， H₂O，NH₃，CH₄和无机成分，即矿化过程，另一部分生物大分子经微生物等再降解和合成，形成腐殖质，即腐殖化过程。沉积物中有机质的矿化过程受到包括温度、溶解氧、Eh等环境因子的影响。温度升高可提高微生物的活性，促进矿化速率；而提高或降低沉积物中氧水平，都能促进沉积中有机质的矿化，前者提高了沉积物中耗氧微生物的活性，CO₂释放通量增大，后者促进了沉积物厌氧微生物的活性，CH₄释放通量增大。这就说明，在一定的环境因子影响下，沉积物中有机质含量的增加促进了沉积物中包括CO₂，NH₃，CH₄等气体的产生，这些气体首先在沉积物中呈冒泡状态，接着气体扩散至沉积物间隙水中，引起沉积物体积膨胀(Swelling)现象。这一现象一旦发生难以控制，通常需要很长时间来调整恢复，并且由于发生于湖泊沉积物中，通常很难被人发现。目前，对这一现象的描述和研究较少，更未有监测沉积物膨胀具体高度的技术和方法。

生物反应具有高度的专一性，生物传感器正是利用生物反应的这一特点经分子识别、能量转换，对待测物质的性质进行精确测定。近年来，微生物燃料电池 (MFC)迅速发展，提供了一种全新的生物传感方法和装置，而沉积物微生物燃料电池(SMFC)是至今为止在实际运用中发挥作用的MFC。SMFC构造简单，阳极埋在还原性的沉积物中，阴极置放在空气—水界面，阴阳极之间的外电路接入负载，利用空气中的氧气来起氧化作用，通常运用曝气以增加阴极氧气含量的方式来促进电压信号的输出。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型根据微生物电化学技术，提供一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器，该生物传感器具有可移动、装置简单、操作容易的优点，应用前景广泛。

为实现本实用新型的技术目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种监测沉积物膨胀高度的生物传感器，包括微生物电化学敏感元件、曝气装置和信号采集装置，