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
氰化物（CN−，KCN）、重金属（汞 Hg2+、镉 Cd2+、锌 Zn2+、铅 Pb2+）；样品基质：合成河水/水样（synthetic stream water）
检测原理
该传感器以好氧硫氧化细菌（SOB）为生物识别元件，以元素硫（S°）为电子供体。在空气供氧条件下，SOB 将 S° 氧化为硫酸根并释放质子：S + H2O + 1.5 O2 → SO4^2− + 2H+。正常代谢使体系电导率（EC）升高、pH 下降，达到稳态。当水样中加入氰化物或重金属等毒性物质时，SOB 活性被抑制，硫氧化速率降低，H+ 和 SO4^2− 生成减少，导致 EC 下降、pH 上升。系统通过连续监测进出水 EC 和 pH 的变化判断毒性强度。低 pH 环境可提高金属离子的生物可利用性，从而增强对重金属的响应。该方法无需复杂标记或信号放大，依靠微生物代谢产生的离子变化实现实时毒性检测。
检测灵敏度
检测范围: 5–2000 ppb（原文：5–2000 ppb range）
效应效果
该传感器对氰化物（CN−）和重金属具有 ppb 级响应。500 ppb CN− 约 5 h 几乎完全抑制，100 ppb 约 7 h 接近完全抑制，5 ppb 无明显毒性。50 ppb Zn2+、50 ppb Hg2+、5 和 50 ppb Cd2+ 数小时内降低 EC；50 ppb Pb2+ 约 8 h 出现抑制；2 ppm Pb2+ 和 Hg2+ 分别约 3 h 和 10 h 完全抑制；50 ppb 和 5 ppb Cd2+ 分别约 15 h 和 40 h 接近完全抑制。四种重金属各 50 ppb 混合时呈协同抑制。与 Microtox 相比，本研究 Hg2+ 50 ppb 约 1 h 即可检测，而 Microtox 22 h EC50 为 34 ppb。作者认为其简单、实时、灵敏且硫颗粒廉价，适合水中毒性物质监测。
传感器的构成
- 反应器基底：亚克力圆柱反应器（acrylic cylindrical reactor, 100 mL），提供连续流动反应空间
- 反应基质层：元素硫颗粒（elemental sulfur, S°, 2–4 mm），作为 SOB 氧化底物并产生 H2SO4
- 生物识别元件：硫氧化细菌（sulfur-oxidizing bacteria, SOB；分离株 A. caldus SMK），附着于硫颗粒表面并氧化硫
- 营养液/样品基质：合成河水（synthetic stream water，NMB 稀释 100 倍），提供营养并模拟水体
- 气体供给：空气（air/O2，150–250 mL/min），维持好氧硫氧化反应
- 信号读出：电导率仪（LUTRON YK 22 CT）和 pH 计（LUTRON PH 208c），监测进出水 EC 与 pH 变化
中文摘要
本研究开发了一种基于硫氧化细菌（SOB）的新型毒性检测方法，用于快速、可靠地检测水体中的有毒化学物质。该方法利用 SOB 在氧气存在下氧化元素硫颗粒生成硫酸的能力，使反应体系电导率（EC）升高、pH 下降。当有毒化学物质存在时，SOB 的硫氧化活性受到抑制，导致 EC 降低和 pH 升高，因此可通过连续监测 EC 和 pH 的变化来评估毒性。结果表明，该 SOB 生物传感器可在 5–2000 ppb 范围内检测重金属和氰化物（CN−）。研究还从 SOB 生物传感器中分离得到一株细菌，其 16S rRNA 基因序列与 Acidithiobacillus sp. ORCS6 和 Acidithiobacillus caldus DSM 8584 的相似度分别为 99% 和 96%，被鉴定为 A. caldus SMK。该传感器结构简单、操作方便，具有灵敏度高、响应快和可实时监测等优点，适用于水中有毒化学物质的环境监测。
英文摘要
A novel toxicity detection methodology based on sulfur-oxidizing bacteria (SOB) has been developed for the rapid and reliable detection of toxic chemicals in water. The methodology exploits the ability of SOB to oxidize sulfur particles in the presence of oxygen to produce sulfuric acid. The reaction results in an increase in electrical conductivity (EC) and a decrease in pH. The assay is based on the inhibition of SOB in the presence of toxic chemicals by measuring changes in EC and pH. We found that SOB biosensor can detect toxic chemicals, such as heavy metals and CN-, in the 5-2000ppb range. One bacterium was isolated from an SOB biosensor and the 16S rRNA gene of the bacterial strain has 99% and 96% sequence similarity to Acidithiobacillus sp. ORCS6 and Acidithiobacillus caldus DSM 8584, respectively. The isolate was identified as A. caldus SMK. The SOB biosensor is ideally suited for monitoring toxic chemicals in water having the advantages of high sensitivity and quick detection.