组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
亚硝酸盐（nitrite, NO2-）、硝酸盐（nitrate, NO3-）、高氯酸盐（perchlorate, ClO4-）、重铬酸盐（dichromate, Cr2O7^2-/Cr6+）；样品基质：合成河水/水样
检测原理
该传感器以活硫氧化细菌（SOB）为识别元件，以单质硫 S0 为电子供体、O2 为电子受体。正常状态下，SOB 将 S0 氧化为 SO4^2- 并释放 H+，使溶液离子浓度升高、EC 增大、pH 降低。当水中氧化污染物（NO2-、NO3-、ClO4-、Cr2O7^2-）进入反应器时，污染物抑制 SOB 代谢；在低 pH 下，这些污染物主要以质子化酸或非极性形式存在，可进入细胞并作为解偶联剂破坏质子动力势，NO2- 还可生成 NO+/NO 自由基并与 FeS 中心形成毒性复合物。代谢受抑后硫酸和离子生成减少，出流 EC 下降、pH 上升。EC/pH 电极连续监测出流，信号变化幅度和速率随污染物浓度增加而增大，从而实现分钟至小时级的毒性检测。
检测灵敏度
原文未报告 LOD、线性范围、灵敏度斜率或 R^2；报告检测范围：5–50 ppb（NO3- 为 10 ppm）；NO2- EC50：0.079 ppm（NMB 1×）、0.055 ppm（5×）、0.038 ppm（100×）。
效应效果
在连续流模式下，氧化污染物注入后数分钟至数小时内引起 EC 下降和 pH 上升，抑制率随浓度和暴露时间增加。NO2- 毒性高于 NO3-：0.5–3 ppm NO2- 可使 EC 降至进水水平，而 5 ppm NO3- 未检出，10 ppm 仅轻微响应，20 ppm 快速下降。ClO4- 5 ppb 数小时内抑制，23 h 接近完全抑制；Cr6+ 5 ppb 立即下降并在约 15 h 稳定，2 ppm 引起陡降和接近完全抑制。与 Microtox 中 Vibrio fischeri 对 Cr6+ 的 30 min EC50 17500±1900 ppb 及发光菌 6300±1500 ppb 相比，本文低约一个数量级。未报告 RSD 和实际样品回收率。作者认为其简单、低能耗、可运行数月、无需频繁校准、成本低，并能反映多污染物加和毒性。
传感器的构成
- 反应器/换能器：连续上流式生物反应器（HRT 30 min）与 EC/pH 电极（LUTRON YK 22 CT、pH 208c），承载菌体并输出电信号
- 电子供体/底物：单质硫颗粒 S0（2–4 mm，50 mL/82 g），作为 SOB 氧化底物，氧化生成硫酸
- 识别元件：硫氧化细菌 SOB（好氧回流污泥接种驯化），以活菌代谢活性变化识别氧化污染物毒性
- 培养基/缓冲液：稀释营养矿物缓冲液 NMB（NaHCO3、NH4Cl、KCl、NaH2PO4、Na2HPO4 及微量元素/维生素），提供营养并控制碱度
- 电子受体：空气/O2（石质扩散器曝气，150–250 mL/min），驱动硫氧化反应
- 信号读出：出流 EC 与 pH 变化（EC 下降、pH 上升），由电脑每 10 min 自动记录
中文摘要
为快速可靠地检测水中的氧化态污染物（亚硝酸盐、硝酸盐、高氯酸盐和重铬酸盐），作者开发了一种基于硫氧化细菌（SOB）的新型毒性检测方法。该方法利用 SOB 在氧气存在下将单质硫氧化为硫酸的能力，反应使体系电导率（EC）升高、pH 下降。当氧化态污染物加入系统时，由于抑制 SOB 活性，出流 EC 下降、pH 上升。结果表明，该系统可在 5–50 ppb 范围内检测这些污染物（硝酸盐为 10 ppm），低于许多现有全细胞生物传感器。在低 pH 条件下，氧化态污染物主要以酸性或非极性质子化形式存在，可作为解偶联剂，使 SOB 生物传感器比在高 pH 下以解离阴离子形式存在的其他全细胞生物传感器更敏感。该传感器可在数分钟至数小时内检测毒性，可作为早期预警手段，避免环境污染并保护公共健康。
英文摘要
For the rapid and reliable detection of oxidized contaminants (i.e., nitrite, nitrate, perchlorate, dichromate) 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 oxidized contaminants 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 contaminants in the 5-50 ppb range (in the case of NO(3)(-), 10 ppm was detected), which is lower than many whole-cell biosensors to date. At low pH, the oxidized contaminants are mostly in their acid or nonpolar, protonated form which act as uncouplers and make the SOB biosensor more sensitive than other whole-cell biosensors which operate at higher pH values where the contaminants exist as dissociated anions. The SOB biosensor can detect toxicity on the order of minutes to hours which can serve as an early warning so as to not pollute the environment and affect public health.