[发明专利]一种基于悬浮态电化学活性微生物实现水质毒性快速检测的方法

说明书

本发明涉及一种利用悬浮态电化学活性微生物实现水质毒性快速检测的方法，主要针对现有电化学活性微生物检测水质技术所存在的灵敏度低的问题。该方法通过构建以悬浮态电化学微生物为核心的微生物电化学水质毒性传感器，不需要孵育生物被膜，仅利用电化学活性微生物的菌悬液即可以直接将水质毒性信息转导为电信号，实现对水质毒性的快速检测，满足水质毒性应急检测和机动检测的需求。

技术领域

本发明涉及生物监测领域，具体涉及利用悬浮态电化学活性微生物实现水质毒性快速检测的方法。

背景技术

急性水体污染早期预警对于保障生态安全和人民健康具有重要意义。现有水质毒性检测方法主要有理化分析法和生物学方法。理化法是通过物理或化学的分析来估测水质的毒性。它可以定量地分析某种污染物，对单一物质测量精度及灵敏度较高，但不能直接反映出各种污染物的生物毒性，而且操作复杂，测试时间长，不适合进行现场快速检测和连续在线分析，所以传统理化方法无法对突发性水质污染做出及时的反应。

生物学方法是基于生物与环境相适应的原理，当水体中进入有毒污染物时，有毒污染物会对水体中正常生长生物的运动、生长发育、呼吸活动等产生抑制或促进作用，通过检测生物活动、代谢等的变化来评估水质。常用的指示生物如鱼类、藻类、发光细菌等，一定程度上弥补了理化分析方法的不足。鱼类是应用最早的指示生物，通过考察被测样品对鱼的活性、行为状态的影响，确定其毒性强弱。鱼类毒性实验操作简单、可靠性高，但存在检测周期长和监测下限相对较高等不足。藻类相较于鱼类更易培养，周期短，更适合作为指示材料，所以这种测定方法得到了快速的发展，但因受基准藻类培养质量的影响，存在着重复性差的缺点。发光细菌由于其独特的生理特性，在环境监测中被作为测定环境中毒物的指标。其基于发光细菌的相对发光度与水样毒性组分总浓度呈显著负相关，因而可通过生物发光光度计测定水样的相对发光度，以此来表示其急性毒性水平。但发光细菌法检测过程中需要复杂的信号转导过程导致其成本较高，且发光细菌对Cl-较敏感，对pH也有较严格的要求，实验条件较为苛刻，容易出现误报警。总的来说，传统的生物毒性测试手段发展已比较成熟，一定程度上弥补了理化分析方法的不足，但存在周期长、操作复杂、重复性差、误报警等不足，不能满足水质急性毒性监测的需要。

电化学活性微生物(EAB)是一种具有独特胞外电子传递功能的环境微生物，可以在维持生长代谢的同时将有机物的化学能转化为电能。EAB研究最早起源于1921年，美国科学家首先发现酵母和大肠杆菌可在特定条件下产生电信号，并设想应用于航天活动中以提高载人航天任务的可靠性。在此项研究之后，EAB独特的能量转换方式吸引了越来越多研究人员的关注。韩国研究人员Kim等人于2007年首次将EAB引入生物监测领域，并证明了EAB检测水质毒性的可行性。EAB检测水质毒性的基本原理是微生物所产生的电信号可以直观反映其代谢活性，当EAB接触到水体中的有毒污染物时，污染物会影响产电微生物的代谢活性，从而对电流信号造成促进或抑制。因此，与现有的生物学方法相比，EAB可在不借助额外的信号转导装置的条件下，通过利用EAB的输出电流信号即可实现对水质毒性的在线监测。

在Kim等人研究基础上，国内外学者进一步拓展了EAB检测水质毒性技术的检测范围，成功实现了对Cr(VI)、Cd(II)、Cu(II)、Ni(II)、硝基芬和乙酰甲胺磷等常见毒性污染物和硫酸新霉素等新型毒性污染物的检测，展现了良好的应用前景。较低的灵敏度是限制EAB检测水质毒性技术应用的主要因素。国内外研究人员优化了EAB检测水质技术的一系列工艺参数，包括电极材料、外接电阻、控制模式、传感器构型、电子中介体浓度和底物浓度等，上述优化在一定程度上提升了EAB检测水质毒性技术的灵敏度和准确度。然而，尽管已有大量的优化研究，现有的EAB检测水质毒性技术检测主要污染物的检测限仍无法满足日趋严格的环境标准。