传感器同步实时监测湖泊不同深度水体溶解氧获进展变频电源

2020-02-17 04:30

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近年来,微生物电化学技术迅速发展,提供了一种全新的生物传感方法;这其中,沉积物微生物电化学技术是至今能够突破理论,实现具体应用的微生物电化学技术。溶解氧是维系湖泊生态系统健康的重要因素。湖泊水体溶解氧浓度随水深波动频繁,甚至会存在水体表层溶解氧浓度饱和而底部厌氧的情况。因此,研究测定不同深度水体溶解氧的含量,对于环境监测、水质保障、水生态修复、水生态系统评估和水产养殖都具有重要意义。

溶解氧跟空气里氧的分压、大气压、水温和水质有密切的关系,在20℃、100kPa下,纯水里大约溶解氧9mg/L。有些有机化合物在喜氧菌作用下发生生物降解,要消耗水里的溶解氧。如果有机物以碳来计算,根据C+O2=CO2可知,每12g碳要消耗32g氧气。当水中的溶解氧值降到5mg/L时,一些鱼类的呼吸就发生困难。

沉积物微生物电化学技术构造简单,阳极埋在还原性的沉积物中,阴极置放在空气-水界面,阴阳极之间的外电路接入负载。其作用机理为:阳极区的有机物被产电微生物氧化分解,产生的电子到阳极,再经过外电路到达阴极形成电流,质子通过水溶液传递到阴极,并与氧气反应生成水。

图1. 传感器监测装置及原理图

根据沉积物微生物电化学阳极和阴极上的反应机理,中国科学院南京地理与湖泊研究所江和龙团队博士宋娜设计了一种运行互不干扰的单阳极多阴极的微生物电化学组的新结构(图1),利用水体溶解氧浓度高低会影响到微生物电化学工艺的电信号输出的原理,可以同步监测不同深度水体溶解氧浓度。研发的装置仪器能够只用一台仪器实现不同深度水体同时在线监测,运行和维护成本低,运行稳定,并且反应灵敏。目前已通过室内实验优化了传感器装置的主要影响参数,并经过湖泊原位试验验证,此装置能在野外长期稳定运行(图2)。此成果已授权发明专利(专利号CN201410614945.2),并以Development of a sediment microbial fuel cell-based biosensor for simultaneous online monitoring of dissolved oxygen concentrations along various depths in lake water 为题发表在Science of the total environment 期刊上,评审专家认为这是一项新颖、聪明的传感器设计。

该项工作得到国家自然科学基金和中科院创新交叉团队等的资助。

图2. 传感器原位稳定运行结果

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