[發明專利]一種監測沉積物膨脹高度的生物傳感器及監測方法

有效

• 申請號: 201810451979.2
• 申請日: 2018-05-12
• 公開（公告）號: CN108709489B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 宋娜;江和龍;徐華成
• 申請（專利權）人: 中國科學院南京地理與湖泊研究所
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;H01M8/16
• 代理公司: 江蘇致邦律師事務所 32230
• 代理人: 徐蓓

本發明提供一種監測沉積物膨脹高度的生物傳感器及其使用方法，生物傳感器包括曝氣裝置、信號采集裝置、多個微生物燃料電池和支架，支架包括橫隔板，每個燃料電池的陰極位于橫隔板上方，陽極位于橫隔板下方，陰極和陽極均固定于支架上，陽極通過導線連接陰極，導線上設置電阻，N個陰極至少一個位于沉積物的上覆水中，陽極全部沒入沉積物中，N個陰極位于不同高度，信號采集裝置分別連接各個微生物燃料電池，曝氣裝置于上覆水中為各個微生物燃料電池的陰極提供氧氣。本發明所述系統和方法靈敏度高、結構簡單、建造運行和維護成本低，是一種有效監測沉積物膨脹高度的方法和技術。

技術領域

本發明屬于環境監測技術領域，具體涉及一種監測沉積物膨脹高度的生物傳感器及使用其監測沉積物膨脹高度的方法。

背景技術

沉積物是湖泊的三大組成要素（水，沉積物和水生生物）之一，是湖泊營養物質地球化學循環的重要環節與界面。沉積物中的有機質是水生生物的重要營養源，在區域碳收支計算中不容忽視，其來源主要包括內源輸入和外源輸入兩種，其中內源有機質主要是水體生產力本身產生的動植物殘體、浮游生物及微生物等的沉積而得，外源輸入主要是通過外界水源補給過程中攜帶進來的顆粒態和溶解態有機質。近幾十年來，隨著區域環境氣候變化和人類活動干擾加劇，湖泊沉積物中有機質含量增加，導致大部分湖泊尤其是淺水湖泊面臨水體富營養化、湖泊沼澤化等重大問題。以太湖為例，位于其東部湖區南段的東太湖，沼澤化發展速度遠遠超過湖泊沉積的自然演化過程，主要由于東太湖是太湖水生植被的主要分布區，而這些水生植被死亡后，儲存了大量營養物質的植物殘體沉積于湖底，加速了湖底淤積和沼澤化；由于氮、磷等營養物質的富集，位于太湖北部的梅梁灣、竺山灣和貢湖灣成為藍藻水華頻繁爆發的區域，藍藻死亡后，一部分殘體也沉降到湖底沉積物中。

沉積物中的有機質變化包括礦化和腐殖化兩個過程。當植物、藻類等有機殘體沉降到沉積物表面時，有機質中易降解部分經環境中的微生物分解為CO₂，H₂O，NH₃，CH₄和無機成分，即礦化過程，另一部分生物大分子經微生物等再降解和合成，形成腐殖質，即腐殖化過程。沉積物中有機質的礦化過程受到包括溫度、溶解氧、Eh等環境因子的影響。溫度升高可提高微生物的活性，促進礦化速率；而提高或降低沉積物中氧水平，都能促進沉積中有機質的礦化，前者提高了沉積物中耗氧微生物的活性，CO₂釋放通量增大，后者促進了沉積物厭氧微生物的活性，CH₄釋放通量增大。這就說明，在一定的環境因子影響下，沉積物中有機質含量的增加促進了沉積物中包括CO₂，?NH₃，CH₄等氣體的產生，這些氣體首先在沉積物中呈冒泡狀態，接著氣體擴散至沉積物間隙水中，引起沉積物體積膨脹（Swelling）現象。這一現象一旦發生難以控制，通常需要很長時間來調整恢復，并且由于發生于湖泊沉積物中，通常很難被人發現。目前，對這一現象的描述和研究較少，更未有監測沉積物膨脹具體高度的技術和方法。

生物反應具有高度的專一性，生物傳感器正是利用生物反應的這一特點經分子識別、能量轉換，對待測物質的性質進行精確測定。近年來，微生物燃料電池（MFC）迅速發展，提供了一種全新的生物傳感方法和裝置，而沉積物微生物燃料電池（SMFC）是至今為止在實際運用中發揮作用的MFC。SMFC構造簡單，陽極埋在還原性的沉積物中，陰極置放在空氣—水界面，陰陽極之間的外電路接入負載，利用空氣中的氧氣來起氧化作用，通常運用曝氣以增加陰極氧氣含量的方式來促進電壓信號的輸出。

發明內容

針對上述問題，本發明根據微生物電化學技術，提供一種監測沉積物膨脹高度的生物傳感器，該生物傳感器具有可移動、裝置簡單、操作容易的優點，應用前景廣泛。

為實現本發明的技術目的，本發明采用如下技術方案：

一種監測沉積物膨脹高度的生物傳感器，包括微生物電化學敏感元件、曝氣裝置和信號采集裝置，