组成图示
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传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
水中毒性物质（water toxicity/toxins，如苯酚 phenol、氰化物 cyanide、重金属 heavy metals）；样品基质：流动水/水样
检测原理
该传感器以固定在聚氨酯海绵上的硝化细菌生物膜为识别与催化元件。在含铵和亚硝酸盐的流动水中，AOB将铵氧化为亚硝酸盐并消耗氧气，NOB再将亚硝酸盐氧化为硝酸盐并消耗氧气，形成代谢耦合。当水样中的毒性物质进入生物膜时，会抑制细菌呼吸或硝化酶活性，使单位时间耗氧量下降。生物反应器两端的氧电极实时测量进水和出水的溶解氧差，数字转换器将信号转换为硝化活性值。成熟生物膜具有稳定结构和稳定生物催化活性，因此活性基线稳定；毒性物质浓度越高，耗氧速率偏离基线越明显，从而实现水毒性的连续、原位监测。
检测灵敏度
最低观察效应水平: 10 μM（phenol）、0.1 μM（cyanide）；原文未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率、R^2
效应效果
成熟生物膜在接种后约21 d达到结构稳定，长期生物催化活性稳定（AOB约12.3 μmol min−1，NOB约6.84 μmol min−1）。FISH与图像细胞术显示AOB/NOB面积分数相关系数0.99，AOB/NOB活性比约2.1±0.38；无铵或亚硝酸盐时活性可忽略，说明信号主要来自硝化细菌。系统响应滞后约1.5 min，可实时连续测量，流量可达100 mL min−1，OCPM对流动水阻力低，适合原位监测。作者指出其灵敏度在4–6周运行中保持稳定，最低观察效应水平为苯酚10 μM、氰化物0.1 μM，相比传统水毒性生物测试具有快速、连续和原位优势。
传感器的构成
- 基底/载体：开放细胞聚氨酯海绵（OCPM，open cellular polyurethane material），圆柱形，固定硝化细菌生物膜并提供多孔生长空间
- 反应器管：聚苯乙烯管（polystyrene tube，120 mm长、25 mm直径），容纳OCPM并形成水平流动通道
- 识别/传感元件：硝化细菌共体（nitrifying bacteria consortia），包括氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB），催化氨/亚硝酸盐氧化
- 生物膜基质：胞外聚合物（EPS，extracellular polymeric substances），包裹细菌并形成稳定三维结构
- 换能器：氧电极（oxygen electrodes，Senco CTN-9202 S），置于生物反应器两端，监测进出水溶解氧差
- 流体/气路系统：蠕动泵/层流泵、空气泵和混合营养室，维持层流（0.0037 m s−1）与通气
- 信号读出：数字转换器（transducer）与计算机，记录氧浓度变化并计算硝化活性
中文摘要
自动水毒性生物检测器（ABTOW）是一种基于硝化细菌催化活性监测的生物传感器。为建立标准化传感系统，需要表征生物膜发育过程并确定其生物催化稳定性条件。本研究在开放细胞聚氨酯海绵（OCPM）生物反应器中，考察由氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）组成的硝化细菌生物膜的生长与成熟。采用分光光度法、离子色谱法和图像细胞术分别测定 AOB/NOB 代谢活性及其在生物膜中占据的体积/面积，并建立生物膜形成动力学的 Verhulst 数学模型。结果表明，开放细胞聚氨酯材料是固定化硝化细菌的良好载体；随着生物膜发育，其结构趋于稳定，长期生物催化活性保持恒定（AOB 约 12.29 μmol min−1，NOB 约 6.84 μmol min−1）。该工作为利用硝化细菌生物膜进行快速、连续、原位水毒性监测提供了结构基础。
英文摘要
Automatic biodetector of water toxicity is a biosensor based on monitoring of catalytic activity of the nitrifying bacteria. To create a standardized biosensing system, development of the biofilm must be characterized to determine the prerequisites for its biological (biocatalytic) stability. In this paper, growth of biofilm comprising ammonium-oxidizing bacteria (AOB) and nitrite-oxidizing bacteria (NOB) in the open cellular polyurethane material polyurethane sponge bioreactor has been investigated. Dynamics of the biofilm formation was estimated using AOB and NOB metabolic activity and the volume occupied by these two types of bacteria in the biofilm. Spectrophotometry liquid ion chromatography and image cytometry were used, respectively, for these measurements. A mathematical model of the dynamics of biofilm formation was established. These data indicate that open cellular polyurethane material is a good basis for the immobilization of nitrifying bacteria. Moreover, growth of the biofilm leads to its stable structural form, whose biocatalytic activity (12.29 for AOB and 6.84 micromol min(-1) for NOB) is constant in the long term.