【正文】 圖40 單室微生物燃料電池型BOD傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖（1） 陽極室的規(guī)格與材料要求 陽極室體積20mL，陽極材料為碳?xì)?，碳?xì)执笮?cm*，用鈦線作陽極導(dǎo)線。（2）以廉價MnO2代替貴金屬Pt做陰極催化劑，國產(chǎn)低成本陽離子交換膜代替昂貴的進(jìn)口質(zhì)子交換膜，構(gòu)建了單室微生物燃料電池型BOD傳感器，大大地降低了制作成本，簡化了操作，提高了BOD傳感器的實用性。9. 本研究創(chuàng)新點（1）對微生物燃料電池產(chǎn)電原理進(jìn)行了逆向應(yīng)用，提出了用微生物燃料電池檢測水污染程度的新思路，設(shè)計并制造了新型單室BOD生物傳感器，它突破了傳統(tǒng)5日培養(yǎng)法測定BOD費時、費力、操作復(fù)雜、不能實現(xiàn)在線監(jiān)測的技術(shù)瓶頸。這次研究經(jīng)歷使我與前沿科技親密地了一回，實時感受了“科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力”的魅力。 感謝廣東實驗中學(xué)石樂義、劉忠毅老師對我的悉心指導(dǎo)，引導(dǎo)我走上了科學(xué)研究的道路，并在生活上、學(xué)習(xí)上給與我大力幫助。 感謝我的父母，他們犧牲休息時間來幫我完成項目，使我有持久的動力和戰(zhàn)勝困難的決心。 感謝廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所周順桂博士給予的校外指導(dǎo)以及該研究所提供的相關(guān)實驗設(shè)備。而在研究中的各種實驗使我在課堂中所學(xué)的知識得以運用和鞏固。10. 下階段研究設(shè)想（1）如何提高該BOD生物傳感器的運行穩(wěn)定性，以及對野外各種實際廢水的檢測效果；（2）擴大該BOD生物傳感器的應(yīng)用范圍，即除了用于廢水BOD在線監(jiān)測以外，還考察其是否可用于廢水、底泥、土壤樣品的生物毒性檢測；（3）在污水處理廠的實際、長期運行。（4） mg/L，%，BOD測定范圍為5~50 mg/L。（3） 連接時注意的問題連接導(dǎo)線事先用萬用表測量內(nèi)阻，保證鏈接導(dǎo)線電阻小于1Ω，在與信號采集器接通時注意不要與其他通道碰到一起，引起計算機讀數(shù)出現(xiàn)錯誤。綜上所述，以廉價MnO2代替金屬鉑做陰極催化劑，陽離子交換膜代替昂貴質(zhì)子交換膜的單室微生物燃料電池型BOD傳感器，制作成本大大降低，可以用于實際水樣的BOD檢測， mg/L，BOD測定范圍為5 mg/L~50 mg/L，與5天培養(yǎng)法（20 ℃）%以內(nèi)。由圖可知，在標(biāo)準(zhǔn)溶液BOD濃度為5 mg/L~50 mg/L時，傳感器檢測的結(jié)果與BOD5顯著相關(guān)（R2=），并且此BOD濃度范圍內(nèi)，電壓記錄的波形重現(xiàn)性好。然后依次將廢水注入反應(yīng)器中，同樣每次注入20mL。某些情況下如斷路后重新連接（線路連接不良）等會引起計算機讀數(shù)突然增大或減小。本文設(shè)定輸出電壓信號降為50 mV時才能進(jìn)行下次檢測，具體方法是：向陽極室中注射20 mL充氮排氧的陽極清洗液，由于清洗液中不含BOD，故微生物燃料電池的輸出電壓會迅速降低?？焖贉y定是BOD傳感器的根本任務(wù)，但測定時間太短，生化反應(yīng)不完全，信號不明顯，影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確性；測定時間太長，達(dá)不到快速測定的目的，不利于應(yīng)用。但外接電阻增大，微生物燃料電池電壓達(dá)到最大值的時間也隨之延長，從而延長檢測時間（如果檢測期間電壓沒有達(dá)到最大值，因電壓處于上升階段時，上升幅度相差不大，會影響檢測效果。以BOD為100 mg/L的GGA溶液為陽極液，外接電阻3 kΩ，、由圖25可知，信號穩(wěn)定時間最長，對檢測結(jié)果最為有利，這與Chee等（1999）的結(jié)果相一致。由圖28可見，外阻為12 kΩ時，輸出功率密度達(dá)到最大值（ mW/m2），因此，該微生物燃料電池內(nèi)阻約12 kΩ。BOD值為200 mg/L）為陽極液，接種后置于30℃人工氣候箱中恒溫培養(yǎng)，外接3 kΩ，在線記錄輸出電壓。小心蓋好瓶塞，顛倒混合搖勻，至沉淀物全部溶解，放于暗處靜置5min。以淀粉為指示劑，用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定釋放出的碘，可計算出溶解氧含量。 （3）BOD5計算： ① 不經(jīng)稀釋直接培養(yǎng)的水樣：BOD5（mg/L）=C1－C2式中：C1——水樣在培養(yǎng)前的溶解氧濃度，mg/L；C2——水樣經(jīng)5天培養(yǎng)后，剩余的溶解氧濃度，mg/L。其余操作與上述一般稀釋法相同。 按不經(jīng)稀釋水樣的測定步驟，進(jìn)行裝瓶，測定當(dāng)天溶解氧和培養(yǎng)5天后的溶解氧含量。通常需作三個稀釋比，使用稀釋水時，、即獲得三個稀釋倍數(shù)；使用接種稀釋水時，、獲得三個稀釋倍數(shù)。 、 系數(shù) ＜5② 需經(jīng)稀釋水樣的測定：對于污染的地表水和大多數(shù)工業(yè)廢水，需要稀釋后再培養(yǎng)測定。（2）水樣的測定：① 不經(jīng)稀釋水樣的測定：對于溶解氧含量較高、有機物含量較少的清潔地表水，可不經(jīng)稀釋，而直接以虹吸法將約20℃的混勻水樣轉(zhuǎn)移至兩個溶解氧瓶內(nèi)，轉(zhuǎn)移過程中應(yīng)注意不使其產(chǎn)生氣泡。以淀粉溶液為指示劑，用亞硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定游離碘。② 水樣中含有銅、鋅、鉛、鎘、鉻、砷、氰等有毒物質(zhì)時，可使用經(jīng)馴化的微生物接種液的稀釋水進(jìn)行稀釋，或提高稀釋倍數(shù)，降低毒物的濃度。 如果水樣五日生化需氧量未超過7 mg/L，則不必進(jìn)行稀釋，可直接測定。 5天培養(yǎng)法測量測量樣品水樣采用5天培養(yǎng)法（20 ℃）測定廢水BOD值，與以微生物燃料電池型BOD傳感器測定值進(jìn)行比較，確定兩種方法測定結(jié)果差異，驗證微生物燃料電池型BOD傳感器的準(zhǔn)確性與精確度。I=U/R；Q=It，其中：Q為電量，U為輸出電壓，R為外接電阻。 好了，問題都搞定了，可以開始我的實驗了！5. 通過與5天培養(yǎng)法對比， 實驗設(shè)計 采集同一河流或湖泊的污水，分別采用傳統(tǒng)的5天測量法和自己研制的新型傳感器進(jìn)行測量，記錄下數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)新型傳感器的不足并進(jìn)行改進(jìn)。發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種情況的原因主要是線路接觸不良，或者外界影響，比如溫度等。BOD值為200 mg/L）為陽極液，以運行1年并正常產(chǎn)電的微生物燃料電池陽極液作為接種物（接種量10%），置于30 ℃人工氣候箱中恒溫培養(yǎng)，外接3000 Ω，在線記錄輸出電壓。陽極清洗液：不含谷氨酸和葡萄糖的GGA溶液。該標(biāo)準(zhǔn)溶液的BOD為200177。2H2O， g/L ZnCl2， g/L CuCl210 mL/L 微量元素： g/L氨三乙酸， g/L FeSO4實驗采用的標(biāo)準(zhǔn)溶液為GGA溶液，即：150 mg/L谷氨酸和150 mg/L葡萄糖，15 mg/L KH2PO4，30 mg/L (NH4)2SO4，50 mg/L MgSO4（5）微生物燃料電池外連電阻，以16通道信號采集器（AD8223，北京瑞博華控制技術(shù)有限公司）記錄輸出電壓，每2 min記錄1次。所以，選材的時候我盡量采用了價格便宜但功能又差不多的國產(chǎn)材料，盡量做到物美價廉。在以前的微生物燃料電池研究過程中，我們研究的單室空氣陰極微生物燃料電池采用陽離子交換膜，也具有質(zhì)子交換膜的功能，可以取代價格較高的質(zhì)子交換膜，價格低廉，效果也比較不錯。優(yōu)點： 選擇實驗材料是很困難的過程，特別是對我們這些開展科學(xué)研究并不是很深入的人來說。（2） 以碳?xì)郑? cm cm，北京卡博賽科技有限公司）作陽極，鈦線作陽極導(dǎo)線；優(yōu)點：以前試過用碳布作陽極，但是發(fā)現(xiàn)用碳布作陽極內(nèi)阻很大，后來嘗試用碳?xì)郑l(fā)現(xiàn)碳?xì)钟捎谙鄬Ρ砻娣e增大，內(nèi)阻也減小了許多，因此用碳?xì)肿鲫枠O。如何才能將孔打得“均勻”，而且操作“快速”呢？想了好幾天，都沒解決。制作過程中遇到的問題與解決辦法： 在給注射器打孔過程中，我遇到一個意想不到的問題，搞的我手忙腳亂。（1） 以20 mL注射器作為微生物燃料電池骨架，在注射器側(cè)面打孔，根據(jù)注射器的大小，我確定打孔規(guī)格為1213個，孔直徑4 mm；打孔的依據(jù)與原理： 在注射器上打孔是為了讓陽極溶液與陽離子交換膜接觸，陽極液中的陽離子才能通過陽離子交換膜到達(dá)陰極碳布，與空氣中的氧反應(yīng)生成水。（2）微生物燃料電池型傳感器檢測的優(yōu)化：進(jìn)行多個水樣試驗，考察組裝微生物燃料電池型傳感器在各種復(fù)雜條件（不同溶解氧、不同毒害物種類與含量）下檢測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性，改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)，優(yōu)化檢測條件，提高儀器的檢測效果，編寫信號處理程序，直接將微生物燃料電池電信號轉(zhuǎn)換成BOD數(shù)據(jù)。3. 研究內(nèi)容我認(rèn)為研究的技術(shù)突破口是開發(fā)一種基于微生物燃料電池的便攜式BOD在線測定儀。該傳感器采用連續(xù)流方式進(jìn)樣，實現(xiàn)了BOD在線監(jiān)測，但是它使用鉑作催化劑，而且需要昂貴質(zhì)子交換膜（每平米約800美元），因而其制作成本高昂，無法實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。 基于微生物燃料電池的BOD生物傳感器微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，微生物燃料電池）型傳感器的基本原理[5]是產(chǎn)電微生物的產(chǎn)電呼吸代謝：即以產(chǎn)電微生物作為生物敏感元件，當(dāng)樣品中的BOD物質(zhì)發(fā)生降解代謝時，會偶聯(lián)微生物輸出電流強弱的變化，在一定條件下傳感器輸出的電量與BOD的濃度呈線性關(guān)系。因此，開發(fā)高性能、低成本的BOD快速測定儀具有重要的意義。 BOD生物傳感器BOD生物傳感器是一種微生物與電化學(xué)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合而構(gòu)成的傳感器．當(dāng)BOD傳感器置于恒溫且被氧飽和的不含BOD物質(zhì)的磷酸鹽緩沖溶液中時，由于微生物呼吸活性恒定，傳感器輸出一個恒定的電流值；當(dāng)傳感器置于含有BOD物質(zhì)的磷酸鹽緩沖溶液時，則因微生物對BOD物質(zhì)的同化作用，使其活性增強而耗氧，導(dǎo)致傳感器輸出信號降低．在一定的范圍內(nèi)，傳感器輸出電流的降低值與BOD物質(zhì)的濃度呈線性關(guān)系。 光度法BOD傳感器在不同濃度的溶解氧條件下，光度法BOD傳感器能夠產(chǎn)生不同的熒光，得到不同的電流，從而間接反映出水樣中的BOD值。這種BOD傳感器存在以下局限性：(1)穩(wěn)定性低。但該檢測法也存在一些缺點，如測定周期長，不宜現(xiàn)場監(jiān)測，不能及時反映排放水的污染程度等。針對以上問題，我想：能否采用單室型結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙室型，能否采用成本較低的、國產(chǎn)化的膜材質(zhì)代替質(zhì)子交換膜，能否采用廉價的非貴金屬催化劑代替Pt呢？我與輔導(dǎo)老師進(jìn)行協(xié)商，上網(wǎng)查資料，發(fā)現(xiàn)我的設(shè)想是值得嘗試的。韓國科學(xué)家Kim等[2]（2003）采用無介體雙室微生物燃料電池構(gòu)建了BOD傳感器，大