【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(jì)圖（1） 陽(yáng)極室的規(guī)格與材料要求 陽(yáng)極室體積20mL，陽(yáng)極材料為碳?xì)?，碳?xì)执笮?cm*，用鈦線作陽(yáng)極導(dǎo)線。（2）以廉價(jià)MnO2代替貴金屬Pt做陰極催化劑，國(guó)產(chǎn)低成本陽(yáng)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(jiǎn)化了操作，提高了BOD傳感器的實(shí)用性。9. 本研究創(chuàng)新點(diǎn)（1）對(duì)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(cè)水污染程度的新思路，設(shè)計(jì)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(cè)定BOD費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、操作復(fù)雜、不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)中學(xué)石樂義、劉忠毅老師對(duì)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(shí)間來(lái)幫我完成項(xiàng)目，使我有持久的動(dòng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備。而在研究中的各種實(shí)驗(yàn)使我在課堂中所學(xué)的知識(shí)得以運(yùn)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(yùn)行穩(wěn)定性，以及對(duì)野外各種實(shí)際廢水的檢測(cè)效果；（2）擴(kuò)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(cè)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(cè)；（3）在污水處理廠的實(shí)際、長(zhǎng)期運(yùn)行。（4） mg/L，%，BOD測(cè)定范圍為5~50 mg/L。（3） 連接時(shí)注意的問題連接導(dǎo)線事先用萬(wàn)用表測(cè)量?jī)?nèi)阻，保證鏈接導(dǎo)線電阻小于1Ω，在與信號(hào)采集器接通時(shí)注意不要與其他通道碰到一起，引起計(jì)算機(jī)讀數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。綜上所述，以廉價(jià)MnO2代替金屬鉑做陰極催化劑，陽(yáng)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(shí)際水樣的BOD檢測(cè)， mg/L，BOD測(cè)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(shí)，傳感器檢測(cè)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(huì)引起計(jì)算機(jī)讀數(shù)突然增大或減小。本文設(shè)定輸出電壓信號(hào)降為50 mV時(shí)才能進(jìn)行下次檢測(cè)，具體方法是：向陽(yáng)極室中注射20 mL充氮排氧的陽(yáng)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(huì)迅速降低?？焖贉y(cè)定是BOD傳感器的根本任務(wù)，但測(cè)定時(shí)間太短，生化反應(yīng)不完全，信號(hào)不明顯，影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性；測(cè)定時(shí)間太長(zhǎng)，達(dá)不到快速測(cè)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(shí)間也隨之延長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間（如果檢測(cè)期間電壓沒有達(dá)到最大值，因電壓處于上升階段時(shí)，上升幅度相差不大，會(huì)影響檢測(cè)效果。以BOD為100 mg/L的GGA溶液為陽(yáng)極液，外接電阻3 kΩ，、由圖25可知，信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)，對(duì)檢測(cè)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(shí)，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(yáng)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?kù)o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(jì)算出溶解氧含量。 （3）BOD5計(jì)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(cè)定步驟，進(jìn)行裝瓶，測(cè)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(gè)稀釋比，使用稀釋水時(shí)，、即獲得三個(gè)稀釋倍數(shù)；使用接種稀釋水時(shí)，、獲得三個(gè)稀釋倍數(shù)。 、 系數(shù) ＜5② 需經(jīng)稀釋水樣的測(cè)定：對(duì)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(cè)定。（2）水樣的測(cè)定：① 不經(jīng)稀釋水樣的測(cè)定：對(duì)于溶解氧含量較高、有機(jī)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(gè)溶解氧瓶?jī)?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(shí)，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(cè)定。 5天培養(yǎng)法測(cè)量測(cè)量樣品水樣采用5天培養(yǎng)法（20 ℃）測(cè)定廢水BOD值，與以微生物燃料電池型BOD傳感器測(cè)定值進(jìn)行比較，確定兩種方法測(cè)定結(jié)果差異，驗(yàn)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(shí)驗(yàn)了！5. 通過與5天培養(yǎng)法對(duì)比， 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 采集同一河流或湖泊的污水，分別采用傳統(tǒng)的5天測(cè)量法和自己研制的新型傳感器進(jìn)行測(cè)量，記錄下數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)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(yáng)極液，以運(yùn)行1年并正常產(chǎn)電的微生物燃料電池陽(yáng)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(yáng)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(shí)驗(yàn)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(hào)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(shí)候我盡量采用了價(jià)格便宜但功能又差不多的國(guó)產(chǎn)材料，盡量做到物美價(jià)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(yáng)離子交換膜，也具有質(zhì)子交換膜的功能，可以取代價(jià)格較高的質(zhì)子交換膜，價(jià)格低廉，效果也比較不錯(cuò)。優(yōu)點(diǎn)： 選擇實(shí)驗(yàn)材料是很困難的過程，特別是對(duì)我們這些開展科學(xué)研究并不是很深入的人來(lái)說(shuō)。（2） 以碳?xì)郑? cm cm，北京卡博賽科技有限公司）作陽(yáng)極，鈦線作陽(yáng)極導(dǎo)線；優(yōu)點(diǎn)：以前試過用碳布作陽(yáng)極，但是發(fā)現(xiàn)用碳布作陽(yáng)極內(nèi)阻很大，后來(lái)嘗試用碳?xì)?，發(fā)現(xiàn)碳?xì)钟捎谙鄬?duì)表面積增大，內(nèi)阻也減小了許多，因此用碳?xì)肿鲫?yáng)極。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(gè)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(gè)，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(yáng)極溶液與陽(yáng)離子交換膜接觸，陽(yáng)極液中的陽(yáng)離子才能通過陽(yáng)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(cè)的優(yōu)化：進(jìn)行多個(gè)水樣試驗(yàn)，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(cè)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(cè)條件，提高儀器的檢測(cè)效果，編寫信號(hào)處理程序，直接將微生物燃料電池電信號(hào)轉(zhuǎn)換成BOD數(shù)據(jù)。3. 研究?jī)?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(cè)定儀。該傳感器采用連續(xù)流方式進(jìn)樣，實(shí)現(xiàn)了BOD在線監(jiān)測(cè)，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(wú)法實(shí)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(shí)，會(huì)偶聯(lián)微生物輸出電流強(qiáng)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(cè)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(shí)，由于微生物呼吸活性恒定，傳感器輸出一個(gè)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(shí)，則因微生物對(duì)BOD物質(zhì)的同化作用，使其活性增強(qiáng)而耗氧，導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)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(cè)法也存在一些缺點(diǎn)，如測(cè)定周期長(zhǎng)，不宜現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，不能及時(shí)反映排放水的污染程度等。針對(duì)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(guó)產(chǎn)化的膜材質(zhì)代替質(zhì)子交換膜，能否采用廉價(jià)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(guó)科學(xué)家Kim等[2]（2003）采用無(wú)介體雙室微生物燃料電池構(gòu)建了BOD傳感器，大