电流传感生物传感器对BOD快速测定

文摘

为了提高实用性的快速生化需氧量(BOD)方法,一个高度敏感的BOD快速检测方法是基于建立之间的关系当前和溶解氧(做)。在这个实验中,枯草芽孢杆菌是用作测试微生物和嵌入的方法被用来实现定量微生物固定,可增加微生物的含量和延长使用寿命的生物元素。电导率(电导率)探测器作为传感元件,以便测试值读取每一秒。在程序中,使用移动平均法处理收集到的数据的值可以读取每一分钟。国家标准样品检测测试方法的准确性和稳定性。结果表明,相对误差和分析标准偏差小于5%。不同的污水测试来评估其应用范围。结果表明,相对误差小于5%。方法的结果是一致的废水样品的结果通过BOD₅标准的方法。拟议中的BOD快速电流传感生物传感器方法应该很有前途的废水监测的实际应用。

1。介绍

生化需氧量(BOD)是一种广泛使用的指数估算有机化合物污染水的水平(1]。BOD生物和环境影响评估可以提供有用的信息和环境应用程序最首选的方法是(2- - - - - -5]。标准的生化需氧量₅方法描述APHA(1998)是应用最广泛的方法测量水和废水的可生物降解的有机水平6,7]。然而,经典的BOD₅方法不适合快速检测和在线应用程序(4,8]。

为了得到BOD值几分钟后,一个新的检测方法的发展已经成为一个非常有吸引力的选择。迄今为止,巨大的努力一直致力于开发新的BOD检测方法减少试验时间和简化程序,满足最终用户的需求(4,7,9- - - - - -26等),(我)生物传感器基于生物荧光细菌,(2)生物传感器与氧化还原介质(3)微生物燃料电池(MFC)生物传感器,与包埋微生物(iv)生物传感器,基于生物反应器(v)生物传感器/化学家技术(2,5]。其中,由于复杂性和低精度的生物荧光反应,至少两名前技术显示潜在的在实际应用5,20.,22,23,27,28]。目前最广泛采用的方法是生物传感器的类型方法基于呼吸率(5,26]。此外,MCF已经成为研究的主要方法。开发新的检测方法的主要问题涉及耗时的准备过程(4,12,26),再孵化或激活或测量时间(4,12,26,29日,30.),严格维护(26,31日),在线应用程序(26,32),和复杂的分析系统26,33]。虽然mfc电池可以产生稳定的电流恒定的条件下,有毒物质的污染影响微生物在mfc电池通常会减少当前的(34,35]。膜式BOD传感器也有其他的问题,如膜污染,nonportability,在线设计不足23,36,37]。因为传统的BOD快速监控一个复杂的管道系统,很难清洁。剩余生物膜中存在不可避免的管道,这最终会影响测试结果。除此之外,许多现有的BOD快速方法的分析性能通常是严重影响样本矩阵。测量分析信号是高度依赖于样本矩阵,表现出固有的局限性狭窄范围的应用程序,以及缺陷在实际样品的重复性和可靠性分析(4,9,12,26,38]。此外,传统的微生物固定化技术用于快速检测很难量化的固定化微生物细胞。在实际的检测,微生物的数量的变化会影响检测结果。事实上,快速BOD传感器监测取得了迅速的牺牲为代价的BOD5方法的独特优势(4,12,26]。中国主张定义标准的水质低于10毫克L¹BOD。为了评估这种低BOD值,建立一个准确的BOD监控系统已成为监测水质的一个重要因素39]。新BOD的发展方法,可以实现速度(快BOD传感器)的固有优势,解决传统的生物膜方法的缺点,并保持BOD的广泛应用₅科学方法是一个重要的实际问题和挑战。

在这项研究中,我们旨在开发一个简单的和准确的BOD监测方法,可用于实时检测和在线监测。根据传统的快速监测方法,BOD可以从减少计算输出信号的基础上做传感器和目标底物的浓度之间的相关性和BOD (40,41]。基于这一原则,我们研究了监控对象和评估BOD的方法取决于检测电信号的变化。通过这种检测方法,仪器可以删除复杂的管路系统,可以减少复杂的清扫工作,仪器体积可以大大减少。这种方法可以提高监测的灵敏度和稳定性在一定程度上,可以减少造成的影响不稳定的基质矩阵和监控信号。此外,在这种方法中,一个嵌入技术是用来量化和固定微生物。聚合物矩阵用于修复微生物细胞使微生物球形粒子的识别元素可生物降解有机物,可减少生物膜堵塞等问题的影响在监视。

2。实验

2.1。方法

基于标准的检测方法的原理,大大缩短了检测时间,简化操作过程。固定化微生物细胞颗粒用作反应元素,它可以实现充分混合和反应的微生物和水样本。在封闭的反应容器,微生物分解有机质,消耗氧气,导致做在水中的浓度下降;与此同时,气孔导度的价值将会改变。电导率之间的关系,本研究探讨了反应,和多个曲线建立了关系。在实际检测过程中,BOD可以准确检测通过检测样品电导率的变化,进行相关的计算。此外,为了适应不同的测试需求,本研究确定各种测试模式。

因为电导率值能被探测到的每一秒,原则上,这种方法可以检测BOD值每秒一次。为了确保检测的准确性和稳定性,执行移动平均计算方法在计算过程中,因此,BOD值可以获得每一分钟。

2.2。控制系统

首先,电导率信号收集的电导率探头(电导率值可以发现每秒钟)。之后,收集到的信号发射机通过MODBUS协议,和发射机传送信号到控制器由4 - 20毫安信号。控制器执行移动平均处理的电导率信号和数据显示每分钟后移动平均处理。在达到指定的运行时间(手动设置),测试结果和反应时间将输出数据处理和比较。

2.3。材料和工具

PVA(聚乙烯醇)、海藻酸钠、黄原胶、生理盐水、葡萄糖、谷氨酸是购自北京化学试剂公司。除非另有声明,本研究中使用的所有试剂实验室级材料,和所有的解决方案都准备高纯去离子的水(Milli-Q)。

BOD标准溶液(136.4毫克葡萄糖和136.4毫克谷氨酸在103°C干了2小时,溶解,稀释至100毫升,GGA)是根据标准方法准备的。这个解决方案在这项研究中有一个已知的BOD值 mg L¹。和低BOD浓度的解决方案是由适当的用去离子水稀释。

磷酸缓冲溶液(PBS, 5毫米,pH值7.0)是按照标准方法使用稀释样品和激活微生物球形粒子和洗涤。

基于理论原则,一个实验性的研发平台和一个简单的原型已经产生。研发平台是用于曲线研究和修正。

原型用于水样监测。原型的结构图如图1和原型的外观如图2。

2.4。固定化微生物细胞颗粒

枯草芽孢杆菌实验中使用的是孤立的水样山东泰安污水处理厂曝气池和储存在4°C。生理盐水溶液的质量和体积分数0.8%准备和转移到灭菌的锥形烧瓶。

微生物财团是收获,与生理盐水洗两次离心10分钟(6000 rpm)在室温下。浮在表面的液体被丢弃,剩下的沉积物被体重建设量化微生物球形粒子。聚乙烯醇、海藻酸钠、黄原胶的质量比为1:1:2 (PVA质量是2 g)溶解在去离子水30毫升,然后冷却到40°C,然后用1克彻底混合微生物联盟(细胞的浓度 细胞g¹)。

由此产生的混合物被放置在一个灭菌模具冷却形成球形珠子。丸是用生理盐水洗净,然后在4°C干24小时,在4°C和存储使用。

2.5。决心的关系曲线

BOD标准溶液作为实验对象是根据标准方法准备的。一定浓度的BOD标准溶液,氯化钾电解质溶液,和microorganism-embedded粒子被添加到反应容器因充分反应。在反应温度和搅拌频率保持不变。在这个过程中,溶液中电导率和做值检测和记录。有三个浓度范围的高(800 +毫克L¹)、中(400 - 800 mg L¹L)和低(400毫克¹),每个浓度范围分为不同的浓度梯度进行探索实验,每组实验进行多组重复实验。High-fitting曲线验证测试的选择。

探测范围内的浓度梯度是细分的曲线。检测到相应的浓度标准样品,并多次重复测试。然后,检测到的偏差度的关系曲线,并校准曲线系数。

2.6。测量程序

气孔导度调查(DJS-1D、上海、中国)购自上海Yidian科学仪器有限公司有限公司是作为传感器,插入反应堆的中心。微生物球形粒子放置在反应堆,和电磁搅拌是用来确保他们完全与水反应样本。温度控制系统是放置在底部的反应堆是用于控制反应温度到25°C。

在测量之前,约500毫升0.005摩尔L¹PBS是涌入激活框。然后,对葡萄糖2 g和0.5 g谷氨酸被添加到PBS溶液用来提供营养的微生物微生物球形粒子。微生物的数量球形粒子在一个测试中使用约5克。然后,激活框需要覆盖,激活框的温度需要控制在大约35°C(适合微生物生长)48小时。

BOD标准溶液用于调节BOD传感器。调查之前需要用去离子水清洗每个监控。传统的BOD的测量₅价值是由标准方法(6,7]。为了分析这种监测方法的准确性和稳定性,监测结果的监测方法需要与BOD的结果₅方法。

3所示。结果与讨论

3.1。GGA标准溶液

为了进行初步测试的稳定性和准确性的方法,进行了连续测试GGA不同浓度的标准溶液在实验室。这个实验是原始研发平台上进行的。这一实验将浓度梯度设置为200。总共四个样本选择不同浓度进行测试。连续六次实验样本浓度为200毫克¹L和400毫克¹,分别。连续三次实验进行样品浓度为600毫克¹L和800毫克¹。由于不稳定的最初反应,实验数据的连续数据丢弃前5分钟,记录-分钟的连续监测数据。6集的平均值(或3集)的数据对应于每分钟。结果如图所示3。BOD值,平均偏差和错误值如表所示1。

由于一些意外错误解决方案准备和稀释,不同批次实验的相对偏差将会不同,和单一数据偏差现象,意外发生在多组实验不能排除。实验数据是均匀分布的,适合高的数据,表明该检测方法具有良好的稳定性。

样品的测试结果的误差的浓度为200毫克¹相对比较大。其他浓度的测试结果的误差值的样本是在允许的范围内( )。平均偏差值也表明该测试具有更好的稳定性。在随后的样机生产、曲线校正工作,基本上解决大问题的错误检测低浓度的结果在这部分。

3.2。重复性和偏差

重复性是一个重要的参数,可用于指示精度的原型。相同的样品在相同的条件下,测试执行和错误分析精度的原型。在这个实验中,五个标准样本选择具有不同质量浓度检测每一个适用范围,并且每个浓度样品受到6重复测试。平均的值如表所示2。

实验数据的分析和显著性检验表明,样机的测量值不显著不同的担保价值标准样品( ),,相对误差小于5%,表明该检测方法具有较高的测试精度。

3.3。稳定

稳定性指示稳定性的原型用于检测水样不断。在该测试中,影响和污水处理厂的废水水样检测6乘以2天内。除了工作时间,原型将备用。结果如表所示3。

测量结果表明,原型的平均偏差为4.7%的进口污水水样和5.7%的水。研究结果表明,在实际应用原型是稳定的。

3.4。实际检测

测试样机的各种性能的最终目的是探索的可行性检测实际废水的原型样品。在这个实验中,为了验证这一方法的可行性测试实际水样,枯草芽孢杆菌被用于制造微生物粒子测试几种典型实际水样。每个水样测试三次,平均价值。与此同时,BOD₅标准方法是用来检测每个水样,和测试结果与原型测试结果。

显著性检验表明,BOD质量浓度测量的值从BOD原型没有明显不同₅标准方法( )。BOD的测试结果₅标准方法的标准,测试的偏差值的原型都是不到5%。证明这种方法和BOD₅标准方法有很好的相关性,实际水样的测试值。结果表明,原型为各种废水和准确的检测结果符合标准的要求。从表可以得出结论4原型的BOD值低于BOD的BOD值₅标准的方法。由于生化需氧量₅标准方法有很长的反应时间、可生物降解的微生物可以降低大多数有机化合物在水样本,而微生物在当前传感生物传感器方法只能迅速降低一些有机物在水中很容易退化的样本。因此,测试结果相同的电流传感BOD的水样₅标准方法并不完全相同。表4表明,有一个大的错误测试结果之间的BOD₅标准方法和当前传感生物传感器印染废水的方法。结果的原因可能是印染废水含有更多的重金属离子和固定化微生物细胞有一定的毒性影响粒子。

4所示。结论

该方法提高了传统快速监测仪器,减少了复杂的管路系统,优化微生物的固定化方法。这种方法不需要洗脱。与传统的生物膜方法相比,它可以实现定量固定化的微生物,可增加固定微生物的数量由几个数量级的数量和控制使用的微生物细胞颗粒检测。因此,该方法更准确和有效的BOD测定可以大大缩短反应时间,简化操作步骤。实际水样的测试结果表明,该方法的BOD值与BOD的BOD值一致₅标准方法( )。这项研究的结果表明,该方法能满足BOD快速测定的要求。重金属离子和有机毒物等毒物毒性作用枯草芽孢杆菌;因此,需要选择抗毒素的菌株检测特定的废水。它的后续研究提供了一个通用的方向,也就是说,混合菌株的使用,和精确控制的不同菌株的比例,扩大探测范围,提高检测的稳定性。

数据可用性

所有生成的数据或分析在本研究中包括发表的这篇文章及其补充信息文件。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

Yiman刘和杰李同样这项工作做出了贡献。

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