其他有机废水及水环境监测中的生物传感器-电子教案

1、水处理微生物教案知识点其他有机废水及水环境监测中的生物传感器学时2学时教学内容1.生物传感器的概念2.生物传感器的结构和原理3.生物传感器的类型4.生物传感器的应用 教学重点生物传感器的概念教学难点生物传感器的应用生物传感器的原理参考资料现代环境微生物技术 清华大学出版社环境工程微生物学 化学工业出版社污染控制微生物工程 化学工业出版社环境生物资源 化学工业出版社环境微生物 化学工业出版社一、 生物传感器的概念转换器变换器传感器1.传感器 某工艺参数 电、热、光 电信号 数字量传感器三要素： （1）直接触被测物； （2）可传递性； （3）输出信号与被测参数有明确的关系，最好是线性关系 2.生物

2、传感器生物传感器是一类特殊的化学传感器，它是以生物活性单元（如酶、蛋白质、微生物、DNA、抗原或抗体等）作为识别原件，将生化反应转变为可定量的物理、化学信号，从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的装置。功能：被测物质浓度 生物传感器 可传递信号 数字量 二、生物传感器的结构和原理1.结构生物传感器主要包括两个部分：敏感元件和信号转换器。敏感元件是指具有分子识别能力的生物活性物质（如细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核算、有机物分子等）；信号转换器，又称“换能器”，主要有电化学电极（如点位、电流的测量）、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等。当待测物与分子识

3、别元件特异性结合后，所产生的复合物（或光、热等）通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析检测的目的。2.原理生物传感器的工作原理：待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用产生信息，如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。三、 生物传感器的分类根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件分为五类：酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器、免疫传感器，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。酶传感器：酶传感器是问世最早、成熟度最

4、高的一类生物传感器。他是利用酶的催化作用，在常温常压下将糖类、醇类、有机酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通过转换器将反应过程中化学物质的变化转变为电信号记录下来，进而推算出相应的生物分子浓度。因此，酶传感器是间接性传感器，他不是直接测定待测物质，而是通过对反应有关物质的浓度测定来推算底物的浓度。国际上已经研制成功的酶传感器有20多种，其中最为成熟的传感器是葡萄糖传感器。组织传感器：组织传感器是利用动植物组织中多酶系统的催化作用来识别分子。由于所用的酶存在于天然组织内，无需进行人工提纯纯化，因而比较稳定，制备成的传感器寿命最长。例如，可将猪肾脏组织切片覆盖在氨气敏电极上制成可测定谷氨酰胺的传

5、感器。这是因为猪肾脏组织内含有丰富的谷氨酰胺酶，这种电极的稳定性克维持1个月以上。至今已研究出利用猪肝、兔肝、鼠脑、鼠肠、鸡肾、鱼肝、大豆、土豆、生姜等动植物组织的各类传感器。微生物传感器：微生物传感器是应用细胞固定化技术，将各种微生物固定在膜上的生物传感器。它主要分为两大类，一类是利用微生物的呼吸作用，另一类是利用微生物内所含的酶。微生物生物体与组织一样含有许多天然的生物分子，能对酶起协同作用，因此传感器寿命比较长。此外，微生物传感器还特别适用于发酵过程中的物质的测定，因为它不受发酵液中酶干扰物质的影响。到21世纪，已经研制出可以测定葡萄糖、酒精、氨、谷氨酸等微生物传感器。免疫传感器：免疫传

6、感器是利用抗体与抗原之间的高选择特性而制成。已经有几种免疫传感器获得了初步的成功。绒毛促性腺激素（HCG）穿昂起便是其中的一种，HCG是节点怀孕与否的主要化合物。其传感器的制备时将HCG抗议固定在二氧化钛电极的表面制成工作电极，通过它与固定尿素的参比电极之间形成一定的电位差，当电解液中加入含有HCG的抗原时，工作电极的电位立即发生变化，从电位变化则可求出HCG的浓度。根据生物传感器的换能器即信号转换器分为：生物电极传感器、半导体生物传感器、光生物传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。四、生物传感器在环境监测中的应用1.水环

7、境监测（1）BOD的测定生物化学需氧量BOD是环境监测工作的意向主要指标，它表示水中有机物综合污染程度。BOD的传统测定方法是BOD520法。规定样品在正负20的温度中培养5d，分别测定培养前后的溶解氧，二者只差则为BOD5值。该方法操作较为复杂，对操作人员的要求高，且耗时长，结果准确度及重现性较差，干扰因素多，不能迅速反映出水体的污染状况，不能及时为环境管理和决策、科研、事故污染等提供科学依据，也不能满足当前环境监测中快速测定的要求。采用BOD生物传感器可在1015min检测出BOD的值，可对水质状况实行在线监测，具有广阔的应用前景。BOD生物传感器一般是将微生物膜固定在溶解氧的探头上，当样

8、品溶液通过传感器监测系统时，渗透通过多孔膜的有机物被固定化的微生物吸收，消耗氧，引起膜周围的溶解氧减少，使氧电极电流随时间急剧减小。18min内达到稳态。稳态指示着微生物消耗的氧与样品溶液扩散到膜上的氧达到平衡。稳态电流的大小取决于样品溶液的BOD浓度，而传感器的响应时间（即电流达稳态的时间）则取决于样品的类型，对乙酸溶液为8min，对葡萄糖为18min。 用传感器法和5d培养法测定不同类型的工业废水BOD值，结果如下： 不同类型工业废水的BOD值一览表废水BOD(mg/L)偏差/%传感器法5d培养法废水1551522食品厂（淀粉糖化）425040006棕榈油制造厂12400984026（2）

9、氨氮、亚硝酸盐的测定氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐是反应是指状况的主要指标，传统的测定方法，氨氮一般用纳氏试剂光度法测量，亚硝酸盐氮用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定，硝酸盐氮用紫外分光光度法测量。但是对于野外现场监测来说，上述方法无法实现。国外有一种氨氮和硝酸盐微生物传感器，它是从废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成，用它对河水的Nox进行测量，其效果较好，且可以再黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐（NO2-）并在盐环境下测量可不受其他种类氮的氧化物影响。（3）重金属的测定 科学家在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧

10、光，人们可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于水环境监测。 在国外已经将荧光素导入大肠杆菌中，用来检测砷的有毒化合物。用于测量污水中锌浓度的生物传感器已经研制成功，它使用嗜碱性细菌，对污水中锌的浓度和生物有效性进行测量，其效果很好。（4）酚类微生物传感器炼油、煤气洗涤、炼焦、造纸、合成氨、木材防腐呵呵化工等废水中常含有酚类化合物，各国普遍采用4-氨基安替比林光度法分析这一类高度物质，但硫化物、油类、芳香胺类等干扰其测定。用酶电极安培传感器检测酚类化合物，电极表面的酶分子被氧（当酶是酚氧化酶，如铬氨酸酶、漆酶时）或过氧化氢（当酶是过氧化氢酶时）氧化，接着被酚类化

11、合物重新还原，酚类主要转化为苯醌或酚自由基，这些产物通常具有电化学活性，能在相对饱和甘汞电极以下的电位还原，还原电流正比于溶液中酚类化合物的浓度。 （5）阴离子表面活性剂传感器生活污水中烷基苯磺酸（LAS）这类阴离子表面活性剂比较多，他们的自然降解性差，在水面产生不易小时的泡沫，并消耗溶解氧，甚至能改变污水处理装置中活性污泥的微生物生态系统。用LAS降解细菌制成的微生物传感器，可检测阴离子表面活性剂的浓度。这种反应型的传感器由一固定化LAS降解细菌柱和流通池型氧电极构成，菌种从污水处理厂的活性污泥中提取而得。测量依据的原理是：当阴离子表面活性剂存在时，LAS降解菌的呼吸活性会增加，导致溶解氧变

12、化。（6）水体富营养化监测传感器研究表明，水体富营养化主要由蓝细菌的大量增殖引起，这些细菌能杀死水生植物，从而产生恶臭。生物传感器可实现对水体富营养化的在线监测。由于蓝细菌的细胞体内有藻青素存在，其现实出的荧光光谱不同于其他的微生物，用这种对荧光敏感的生物传感器就能监测蓝细菌的浓度，可以预报藻类急剧繁殖的情况。2.水环境监测（1）对酸雨的监测我国华南地区是世界三大酸雨区之一，酸雨对农作物、提让、水体、植被等造成了很大的破坏。SO2是酸雨酸雾形成的主要原因，主要来自化石燃料（如煤炭）的燃烧，传统的SO2检测方法很复杂。将亚细胞类脂质（含亚硫酸盐氧化酶的肝微颗粒）固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安

13、培型生物传感器，对SO2形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测，10min可以得到稳定的测试结果。（2）氨传感器氨的监测在环境分析中也很重要。常规的电位传感器由符合玻璃电极和气体渗透膜构成，为氨气体电极，在强碱条件（pH 11）下测定氨，受挥发性物质如胺类的干扰。 I.Karube等发现，一种硝化细菌利用氨作为唯一的能源，通过呼吸作用消耗氧，而另一种硝化细菌则将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，新型安培型氨传感器用氧电极和两种硝化细菌制成。硝化细菌在需氧呼吸过程中降解氨，消耗溶解氧。这种传感器的灵敏度与玻璃电极几乎在同一数量级，最低检出浓度为0.1ng/L，该传感器不仅可用于监测大气中的氨，还可用于监测废水中的氨

14、。（3）甲烷传感器甲烷是一种清洁燃料，但空气中甲烷含量在5%14%之间时会具有爆炸性。从自然界中分离并进行纯培养的甲烷氧化细菌，如鞭毛甲基单胞菌，利用甲烷作为唯一碳源进行呼吸。将鞭毛甲基单胞菌用琼脂固定在醋酸纤维膜上，制备出固定化微生物反应器用以测定甲烷。该生物反应器由固定化微生物传感器、控制反应器和两个氧电极构成。 该传感器系统可用于大气中甲烷含量的快速、连续监测。（4）CO2传感器 常规的电位传感器，常会有各种离子和挥发性酸的干扰。 Shiroaki等利用自养微生物和氧电极组成CO2传感器，传感器对浓度在3%12%之间的CO2有线性响应，灵敏度高，书名科大一个月以上，可以进行连续自动在线分析。3.生物传感器的优点：与传统的分析方法相比，所具有的优点：(1)由于具有较高的选择性，能够在组分浓度