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        基本信息

        項目名稱:
        水質安全新衛士:一種用于水質毒性檢測的多通道微生物傳感器
        小類:
        能源化工
        簡介:
        突發性水質污染事件已經成為我國用水安全和水環境質量的一個潛在威脅。本作品針對當前我國面臨嚴峻水環境污染危機的應急監測能力不足問題,研究開發一種靈敏、便攜和經濟的新型多通道微生物傳感器,用于水體污染的常規急性毒性分析和應急性環境監測,為我國的水環境安全提供有力的技術保障。
        詳細介紹:
        近年來,我國有毒污染物引起的水質安全與生態安全問題突出,化學品引起的環境污染事故頻發,不僅造成巨大的經濟損失,而且導致社會的不安定和生態環境的嚴重破壞。突發性水質污染事件已經成為我國用水安全和水環境質量的一個潛在威脅,為預防突發性水質污染事件的發生和對已發生的污染事件迅速處置,建立水質污染預警系統顯得尤為必要和迫切。 本研究小組針對現有生物傳感器毒性分析技術存在的不足,研究開發了一種具有獨立自主知識產權的多通道電流型微生物傳感器,它通過選擇固定不同的毒性敏感菌株,對污染物的毒性做出快速評價,可實現對常見毒性物質測定的標準偏差≤8%;微生物電極保存有效期3月(4℃條件下);絲網印刷電極可重復使用≥50次;毒性分析靈敏度:重金屬(以Hg2+計)0.05ppm,毒性有機物(以苯酚計)0.1ppm。 應用研究表明,該微生物傳感器與基于發光細菌的毒性檢測儀和呼吸儀等相比,具有毒性檢測污染物范圍寬、操作簡單、不受樣品色度和濁度干擾、毒性檢測結果更具客觀真實性等優勢,可很好適用于常規水質急性毒性分析和應急性環境監測。其推廣應用對提升我國的環境監測能力和保障水環境生態安全具有重要實際意義,具有一定的經濟、環境和社會效益。

        作品圖片

        • 水質安全新衛士:一種用于水質毒性檢測的多通道微生物傳感器
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        • 水質安全新衛士:一種用于水質毒性檢測的多通道微生物傳感器

        作品專業信息

        設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

        發明目的:針對當前我國面臨嚴峻水環境污染危機的應急監測能力不足的問題,自主研究開發一種靈敏、便攜和經濟的新型微生物傳感器,用于水體污染的常規急性毒性分析和應急性環境監測。 基本思路:將篩選出的毒性敏感菌株固定在碳工作電極表面作為敏感材料,利用其氧化還原代謝反應產生電流的變化實現對待測物質毒性的定量測定:當毒性污染物存在時,微生物細胞呼吸作用因受到毒性抑制作用表現出電流強度的變化,根據待測污染物對微生物電流影響的程度來判斷其毒性的強弱。 創新點:(1)研究開發的微生物傳感器,具有結構簡單、價格和分析費用低廉、便攜、毒性分析性能好等特點;(2)設計開發的操作軟件人機交互界面友好;(3)其基于電流檢測的原理使毒性分析不受樣品色度和濁度的干擾,樣品無需預處理,操作簡單。 技術關鍵:(1)基于嵌入式微處理器的生物傳感換能器電路系統的開發;(2)基于C++語言的人機界面友好的微生物傳感器軟件系統的開發;(3)生物傳感器微電極的制備技術;(4)毒性敏感菌株的固定化技術。 主要技術指標:檢測時間:5~30min;重量:6.5kg;工作環境溫度:10~40 ℃;電源:220V交流電源,野外15V電池;對常見毒性物質測定的標準偏差≤8%;微生物電極保存有效期3月(4℃條件下);可篩選固定不同的毒性敏感菌株,構建新型的微生物傳感器毒性分析系統;絲網印刷電極可重復使用≥50次;毒性分析靈敏度:重金屬(以Hg2+計)0.05ppm,毒性有機物(以苯酚計)0.1ppm。

        科學性、先進性

        (1)在生物傳感器的硬件和軟件上:本作品采用低功耗CPU控制系統,在實現測試精度要求的同時,有效推進了生物傳感器的小型化和低成本;低失調電流的放大電路設計提高了儀器的精度。人機界面友好的操作軟件系統的開發,有利于該儀器的推廣應用。 (2)在生物傳感器的分析性能上:目前,國內外已研究開發的水質毒性分析用生物傳感器,多是基于微生物的發光、細胞生長、呼吸和酶活性變化等生理指標為指征。但是實際應用表明,上述毒性分析技術存在一定的局限性,如基于發光菌的毒性分析存在:菌株單一、難以長期保存、分析費用偏高和分析受樣品色度、濁度干擾等不足;而基于耗氧速率的測試方法中,易受周圍環境的影響,造成毒性分析的靈敏度不夠,誤差較大。本作品發明的水質毒性檢測用微生物傳感器與基于常見的發光細菌和呼吸儀等毒性檢測儀相比,具有毒性檢測污染物范圍寬、操作簡單、分析費用低廉、不受樣品色度和濁度干擾、毒性檢測結果更具客觀真實性等優勢。本作品具有獨立的自主知識產權,獲得了實用新型專利一項,軟件著作權一項。

        獲獎情況及鑒定結果

        (1)被列入大學生物科委科技行動計劃項目(2010年) (2)被列入大學生創新實踐訓練計劃(SITP)項目(2010年)。 (3)上海市第十二屆上海市大學生課外學術科技作品競賽暨第十二屆“挑戰杯”上海市選拔賽決賽一等獎。

        作品所處階段

        生產階段

        技術轉讓方式

        獨家許可

        作品可展示的形式

        實物、產品

        使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

        技術特點和優勢:(1)毒性分析時間短(5-30min);(2)毒性分析靈敏度高,不受樣品濁度和色度的影響;(3)儀器價格和分析費用低廉,操作簡便;(4)測試所需樣品少(約5mL),無需預處理;(5)可篩選固定不同的毒性敏感菌株,構建新型微生物傳感器水質毒性分析系統,用于污染物的綜合毒性分析。(6)操作軟件菜單設計邏輯性強,數據以圖表顯示,且可實現自動報警提示,人機交互界面友好。 作品的適用范圍:其潛在用戶主要集中在水質檢測部門及環保科研院所,例如各級環境監測部門、自來水廠和污水處理廠以及高等院校等,可應用于突發性環境污染事件的污染物現場快速應急檢測,以及工廠、飲用水水源地和飲用水水質的常規檢測。 推廣前景:當前我國的水體不僅面臨著由傳統污染物引起的污染,而且還面臨著水環境毒物污染的嚴峻挑戰。本發明的水質毒性檢測用多通道微生物傳感器可很好適用于水質的常規急性毒性分析和應急性環境監測,有著廣闊的推廣應用前景,其推廣應用必將產生較大的經濟效益、社會效益和環境效益。

        同類課題研究水平概述

        1. 水質毒性檢測方法的研究現狀:廢水毒性的測定主要有化學方法和生物學方法,傳統的化學分析方法雖然能定量分析廢水中主要污染物的成分及含量,但不能直接和全面地反映毒性物質對環境的綜合影響,使其在水體污染的風險評價中受到很大限制。 2. 水質毒性檢測用生物傳感器的研究現狀:二十一世紀是生命科學和信息科學的世紀,以現代生命科學與信息科學為基礎的生物傳感器技術成為環境監測技術的主要發展方向之一。目前,國內外已研究開發了多種生物傳感器毒性分析技術,它們多是基于微生物的發光、細胞生長、呼吸等生理指標為指征。在國內外已研究開發的毒性分析技術中,基于發光細菌發光性能變化原理的毒性分析儀得到了較為廣泛的應用。然而,上世紀80年代末,科學家發現,如常用的發光細菌V. fischeri和P. phospohreum均屬于海洋生物,在毒性分析中,為了滿足海洋發光細菌的生理需要,必須在淡水樣品中添加食鹽達到3%,但如此高濃度的鈉或氯離子,會影響某些有毒物質的生物學毒性表現,尤其是對重金屬污染物的生物可利用性。另外,如常用的明亮發光桿菌P.phosphoreum的 pH 適應范圍窄,測定時必須將樣品 pH 調至 7.3~7.5,因此根據細菌的發光情況來判斷水質就會產生偏差,這是海洋發光細菌的一個主要不足之處。為了克服上述不足,我國科研人員研究發現了一種淡水發光細菌—青海弧菌,可以在淡水環境中實現對樣品的毒性檢測,但該類細菌在重復培養過程中,活性容易發生變異,導致毒性分析的靈敏度下降。另一方面,現有的微生物傳感器毒性分析技術多是以為數不多的單一純菌株為受試體,從環境污染生態學觀點考慮,由于單一細菌對不同污染物的毒性敏感性不同,實際檢測污染物范圍相對較窄,分析結果往往難以反映污染物毒性的真實情況。同時,在發光菌法毒性分析中,由于它是基于細菌發光強度的變化為指標,其在使用中不可避免地受水體的色度和濁度的影響,導致毒性分析的重復性較差。而其它如基于微生物呼吸耗氧速率變化的毒性測試方法中,容易受周圍環境的影響,造成毒性分析的靈敏度不夠,誤差較大。 總體而言,我國的生物傳感器技術起步較晚,雖有一些如基于發光菌毒性檢測儀器的開發,但其分析性能與國外進口儀器相比仍存在一定的差距,且缺乏自主知識產權。本作品發明的多通道微生物傳感器具有獨立的自主知識產權和良好的創新性。
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