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
六价铬（hexavalent chromium, Cr6+）；样品基质：合成河水（synthetic stream water）/河水（stream water）
检测原理
该传感器以活体硫氧化细菌（SOB）为识别元件，利用其代谢活性而非特异性分子结合来响应毒性物质。SOB 附着在单质硫（S0）颗粒上，在好氧条件下以 S0 为电子供体、O2 为电子受体，将 S0 氧化为硫酸根（SO4^2-）并释放 H+，使体系电导率（EC）升高、pH 降至 2–3。当水样中含有六价铬（Cr6+）时，Cr6+ 对 SOB 产生毒性抑制，硫氧化反应速率下降，硫酸根生成减少，出流 EC 随之下降，pH 由酸性回升至约 6。系统通过 EC 计和 pH 计连续监测进出水信号，并以半连续模式（1 min 进料、29 min 批式反应）维持菌体活性，使产酸基线信号持续存在，从而将毒性抑制转化为可量化的 EC/pH 变化。
检测灵敏度
—
效应效果
传感器在合成河水中运行 60 d 可维持稳定 EC 和 pH，但不同反应器因硫颗粒表面积差异导致产酸速率不同。30 min 反应时间下，出流 EC 为 650±0.6 mS/cm，pH 为 2–3，硫酸盐浓度为 95±0.5 mg/L；反应时间缩短至 20、15 和 10 min 时，EC 分别降至约 412、227 mS/cm，硫酸盐降至 43、25 和 14 mg/L。加入 1 mg/L Cr6+ 后，出流 EC 立即下降，5 h 后降至进水水平 197 mS/cm，pH 升至约 6，表明 SOB 活性几乎完全被抑制。去除 Cr6+ 后，经 3 个无铬周期和 1 h 滞后，EC 线性恢复并重新稳定。作者认为该传感器可在分钟至小时尺度提供水环境毒性早期预警。
传感器的构成
- 反应器基底：圆柱形反应器（cylindrical reactor），容纳硫颗粒与菌体，提供半连续流动环境
- 底物/识别载体：单质硫颗粒（S0，2–4 mm，50 mL/82 g），作为 SOB 电子供体并供菌附着
- 识别元件：硫氧化细菌（SOB，来自好氧回流活性污泥 aerobic return activated sludge），代谢氧化 S0 产生 H2SO4，受 Cr6+ 毒性抑制
- 营养基质：合成河水（synthetic stream water，NMB 稀释 100 倍，含 NaHCO3、NH4Cl、NaH2PO4、KCl、Na2HPO4），维持菌体活性并模拟河水
- 气体供给：空气（air，150–250 mL/min），提供好氧氧化所需 O2
- 换能/读出：电导率计与 pH 计（EC meter LUTRON YK 22 CT；pH meter LUTRON pH 208c），监测进出水 EC 和 pH
- 流体控制：蠕动泵（peristaltic pumps），实现 1 min 快速进料与 29 min 批式反应
中文摘要
毒性测试正成为环境风险评估的重要工具。本文报道了一种基于硫氧化细菌（SOB）代谢特性的生物传感器，用于检测水体中的毒性化学物质。该传感器利用 SOB 在好氧条件下将单质硫氧化为硫酸的代谢能力：反应生成硫酸根和质子，使培养液电导率（EC）升高、pH 降低。研究将 SOB 生物传感器以半连续模式运行，即 1 min 快速进料和 29 min 批式反应，并监测进出水 EC 与 pH。当向系统加入六价铬（Cr6+）后，Cr6+ 对 SOB 产生毒性抑制，使硫氧化反应减弱；约 5 h 后，出流 EC 下降至接近进水水平，pH 由 2–3 升至约 6，表明细菌活性受到显著抑制。该传感器结构简单，可在分钟至小时尺度内检测毒性水平的 Cr6+，为保护水环境免受进一步污染提供早期预警手段。
英文摘要
Toxicity testing is becoming a useful tool for environmental risk assessment. A biosensor based on the metabolic properties of sulfur-oxidizing bacteria (SOB) has been applied for the detection of toxic chemicals in water. The methodology exploits the ability of SOB to oxidize elemental sulfur to sulfuric acid under aerobic conditions. The reaction results in an increase in electrical conductivity (EC) and a decrease in pH. Five hours after Cr(6+) was added to the SOB biosensor operated in semi-continuous mode (1 min rapid feeding and 29 min batch reaction), a decrease in effluent EC and an increase in pH (from 2-3 to 6) were detected due to Cr(6+) toxicity to SOB. The SOB biosensor is simple; it can detect toxic levels of Cr(6+) on the order of minutes to hours, a useful time scale for early warning detection systems designed to protect the environment from further degradation.