基于微生物燃料电池的重金属离子传感器研究

Heavy metal pollution is the problem we are facing in China's industrilization process. The control on waste discharge will cut the source of pollution, and therefore requires economical, rapid and portable detecting method. We propose to develop microbial fuel cell as a biosensor to detect the heavy metal ions without power input. To improve sensitivity and selectivity, algae will be incorporated into MFC cathode as a concentrating agent. Because of the features of no power input, simple structure and easy portability, this biosensor will have great value in wastewater polluant discharge control and other environmental field. In this project, we first study the absorption and controlled desorption process of algae and select the algae with high selectivity and tolerance, and optimize cathodic conditions for optimized algae growth. Moreover, we would study the cathodic reduction mechanism, and simpilfy it by controlling the cathodic environment. By mathematic modelling, electric signal of MFC will be intepretated into heavy metal ion concentrations. Based on this, we will achieve the target to detect heavy metal ions rapidly and economically with algae-based MFC sensor, analyze and solve the heavy metal problem from the source.

重金属污染是工业化发展过程中需要面对的问题，对重金属污染物的排放控制将从源头上遏制这一现象，因此需要经济快速的便携式检测方法。本项目拟采用微生物燃料电池（MFC）作为无需能量输入的传感器检测污水中重金属离子的浓度，为提高灵敏度和选择性，微藻将作为富集剂与MFC阴极相结合。由于其无需能量输入且设计简单便于携带的特点，该传感器将在污水检测，环保领域具有重要的应用价值。本项目中我们将首先针对藻类对重金属离子的快速吸附和控制脱附性能进行研究，对藻类种群优化选择，寻找高选择性容忍性的藻类并基于其生长繁殖情况对反应条件进行优化；同时我们将重点研究阴极还原反应机理，控制阴极条件以简化反应向单一方向进行，通过建立数学模型，由MFC电信号解析重金属离子浓度信号。基于此，我们将达到在无能量输入的条件下利用藻类阴极MFC快速实地检测污水中重金属离子的目的，为从源头上分析并解决重金属污染问题提供有力的工具。

微生物燃料电池是一种将污水中的生物质能转化为电能的装置，近年来其在环境污染物的传感器方面的应用得到了广泛关注。重金属离子，以铜离子为例，对环境产生负面影响，因此实现对其快速廉价的检测和监控尤为重要。本项目中我们通过两种方案实现了微生物燃料电池对铜离子的快速检测，方案一采用直接电压传感，灵敏度低但选择性欠缺，不适用于含有多种干扰物的污水；方案二采用微生物燃料电池沉积铜离子，由差分脉冲溶出伏安法检测铜离子，该方法灵敏度高，且选择性好，适用于体系复杂的污水，两种方案为铜离子检测提供了新思路。此外，项目执行过程中，我们针对微生物燃料电池阳极进行优化，采用碳化蚕茧阳极实现了产电性能的提升（相较于传统碳布阳极提升了1.5-2.1倍），采用苍耳子生物炭堆积型阳极提升了堆积型阳极的长期稳定性（150天内无明显性能下降），采用预驯化的方法加速了微生物燃料电池的启动过程（起始时间缩短了85%（由78 h缩短至12 h），启动时间缩短了40%（由190 h缩短至115 h）），这些性能优化将提升微生物燃料电池的包括传感应用在内的实际应用可行性。