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
双酚 A（bisphenol A, BPA）、壬基酚（nonylphenol, NP）、雌二醇（estradiol, E2）、己烯雌酚（diethylstilbestrol, DES）、三丁基锡（tributyltin, TBT）；样品基质：水样（合成河水/实际河水基质）
检测原理
硫氧化细菌（SOB）为好氧化能自养菌，附着在单质硫颗粒表面，利用外膜相关蛋白动员硫，并在氧气存在下将单质硫氧化为硫酸：S + H2O + 1.5O2 → SO4^2- + 2H+，ΔG°' = -587 kJ/reaction。正常代谢时，硫酸根和氢离子浓度升高，使体系电导率（EC）上升、pH 降至约 2.2–2.5。当内分泌干扰物（EDCs）进入反应器后，通过膜损伤、呼吸抑制、质子动力势干扰等毒性机制抑制 SOB 活性，硫氧化速率下降，硫酸生成减少，导致流出液 EC 相对稳态下降、pH 上升。EC 与离子浓度成正比，pH 反映 H+ 浓度，二者随 EDCs 浓度或毒性增强而向进水值回归。该传感器无需参考电极，通过监测 EC 和 pH 的时间变化即可实现毒性检测。
检测灵敏度
检测范围: 50–200 ppb；加标浓度: 5–200 ppb
效应效果
稳态下 pH 约 2.2、EC 约 1.1 mS cm−1，可稳定运行超过 30 d。对 5–200 ppb 加标 EDCs，EC 在数分钟至数小时内下降；三丁基锡抑制最强，2 h 后 EC 接近进水值，100 ppb 比 50 ppb 更强；双酚 A、己烯雌酚分别约 50 h、30 h 后 EC 接近进水值；壬基酚、雌二醇响应较弱，约降至反应器内 EC 的一半。混合加标毒性顺序为三丁基锡 > 己烯雌酚 > 双酚 A > 雌二醇 > 壬基酚。与循环伏安法（BPA、NP、E2、DES 检出限约 0.5–1 mM，即 100–300 ppm）、V. fischeri（NP EC50 360 ppb）和发光大肠杆菌（BPA 500 ppb）相比，本方法可在 50 ppb 壬基酚小时级响应。作者强调其简单、低能耗、可运行数月、无需频繁校准、硫颗粒廉价且可同时检测多种毒性物质。
传感器的构成
- 反应器基底：丙烯酸（acrylic）圆柱反应器（100 mL），提供连续流反应腔体。
- 电子供体/反应基质：单质硫颗粒（elemental sulfur，2–4 mm，50 mL），作为 SOB 氧化底物并附着细菌。
- 识别/生物元件：硫氧化细菌（SOB，来自好氧回流活性污泥，可能含 Thiobacillus 属），氧化硫产生硫酸并响应毒性抑制。
- 营养/缓冲介质：合成河水（synthetic stream water，NMB 营养盐缓冲液稀释 100 倍），维持细菌活性与低缓冲容量。
- 气体供给：底部空气曝气（air，150–250 mL min−1），提供氧气并维持好氧硫氧化。
- 换能/读出元件：电导率仪（EC meter，LUTRON YK 22 CT）与 pH 计（LUTRON pH 208c），监测 EC 和 pH 变化。
- 样品引入：蠕动泵连续上流进水（peristaltic pumps，HRT 30 min），将水样/加标 EDCs 引入反应器。
中文摘要
为快速、可靠地检测水中的内分泌干扰化合物（EDCs），本文开发了一种基于硫氧化细菌（SOB）的新型毒性检测生物传感器方法。该方法利用 SOB 在氧气存在下将单质硫氧化为硫酸的能力：S + H2O + 1.5O2 → SO4^2- + 2H+，反应使体系电导率（EC）升高、pH 降低。当水中加入 EDCs 时，SOB 的硫氧化活性受到抑制，导致流出液 EC 下降、pH 上升。通过连续监测 EC 和 pH 的变化即可判断毒性。结果表明，该传感器可在 50–200 ppb 范围内检测双酚 A、壬基酚、雌二醇、己烯雌酚和三丁基锡等 EDCs，检测时间可达分钟至小时量级，灵敏度优于许多现有全细胞生物传感器，可作为水体污染和公共健康的早期预警工具。
英文摘要
For the rapid and reliable detection of endocrine disrupting compounds in water, a novel toxicity detection methodology based on sulfur-oxidizing bacteria (SOB) has been developed. The methodology exploits the ability of SOB to oxidize elemental sulfur to sulfuric acid in the presence of oxygen. The reaction results in an increase in electrical conductivity (EC) and a decrease in pH. When endocrine disrupting compounds were added to the system, the effluent EC decreased and the pH increased due to the inhibition of the SOB. We found that the system can detect these chemicals in the 50-200 ppb range, which is lower than many whole-cell biosensors to date. The SOB biosensor can detect toxicity on the order of min to h which can serve as an early warning so as to not pollute the environment and affect public health.