DOI ：10.19965/jki.iwt.2022-0097
第42卷第6期2022年6月Vol.42No.6Jun.，2022
工业水处理
Industrial Water Treatment
基于微生物电化学技术的BOD 传感器的研究进展
廖承美，仲子涵，刘思炎，李
田，王
鑫
（南开大学环境科学与工程学院，天津300350）
[摘要]生化需氧量（BOD ）是判断水体受污染程度、指导污水处理工艺设计的重要指标。近年来基于微生物电化学技术开发的BOD 传感器因能快速、准确地测定BOD 而成为极具应用前景的方法。总结了微生物电化学BOD 传感器的工作元件及其原理，并对不同类型的微生物电化学BOD 传感器进行了对比；在此基
础上重点分析了微生物燃料电池（MFC ）型BOD 传感器的发展历程、传感原理、反应器构型以及产品化应用；进一步讨论了各种新兴技术给MFC 型BOD 传感器带来的发展契机，提出了将其商品化的发展见解；最后对微生物电化学BOD 传感器的发展进行了总结与展望，以期为开发快速高效的微生物电化学BOD 传感器技术奠定基础，为推动水生态环境监测技术的创新发展提供思路。
［关键词］生化需氧量；微生物传感器；微生物燃料电池；微生物电化学技术［中图分类号］X703.1
［文献标识码］A
［文章编号］1005-829X
（2022）06-0010-12Research advances on BOD sensor based on
microbial electrochemical technology
LIAO Chengmei ，ZHONG Zihan ，LIU Siyan ，LI Tian ，WANG Xin
（College of Environmental Science and Engineering ，Nankai University ，Tianjin 300350，China ）
Abstract ：Biochemical oxygen demand （BOD ）is an important indicator to determine the degree of
pollution of wa⁃ter and guide the design of wastewater treatment processes.In recent years ，the development of BOD sensors based on microbial electrochemical technology has become a promising method for the rapid and accurate determination of
BOD.This review summarized the working components and principles of microbial electrochemical BOD sensors ，and compared different types of microbial electrochemical BOD sensors.On this basis ，the development history ，sensing principle ，reactor configuration and product application of microbial fuel cell （MFC ）-type BOD sensors are analyzed.Further ，the development opportunities of MFC -type BOD sensors brought by various emerging technolo⁃gies were discussed ，and the insight of commercialization was proposed.Finally ，the development of electrochemical BOD microbial sensors was summarized and prospected ，laying the foundation for the development of fast and effi⁃
cient microbial electrochemical BOD sensor technology ，and promoting the innovative development of water ecology and environment monitoring technology.
Key words ：biochemical oxygen demand ；microbial sensors ；microbial fuel cells ；microbial electrochemical technology
工业迅猛发展造成的严重水污染使得水安全问题日益突出，碳中和对水质监测以及水污染治理都提出了更高的要求。一些水质参数的测定不仅能够提供污水处理过程和处理效率的重要信息，也是衡量和监控出水水质达标与否的主要参数。其中，生化需氧量（BOD ）是判断水体受污染程度、指导污水处理工艺设计的重要指标。因此，BOD 的测定对水
体污染的预警和控制具有非常重要的意义，成为了我国重要的水质监测指标。
常规的BOD 检测方法为5日呼吸法（BOD 5法），通过测定微生物在特定温度（通常为20°C ）下代谢有机化合物维持自身生长5d 所需的氧气量来估算样品中有机物的浓度〔1〕。该方法虽被广泛使用，但因耗时长、劳动强度大和维护成本高等局限性，越来
［基金项目］国家自然科学基金青年科学基金项目
（52100048）；中国博士后科学基金项目（2020M680866）开放科学（资源服务）
标识码（OSID ）：
工业水处理2022-06，42（6）廖承美，等：基于微生物电化学技术的BOD传感器的研究进展
越不适用于即时反馈实时监控和过程控制监测系统的需求〔1-2〕。一些BOD5法的改进方法，如测压法
、增温法、活性污泥快速法等〔3-4〕，也无法实现BOD的原位实时在线监测，更不能满足污水处理过程中有机碳源的实时调控需求。因此，亟需一种操作简便、节约时间、普适性强的新技术来实时监测水样中的BOD。
微生物电化学技术测定BOD是一种新型的水质监测方法。微生物的代谢活性随着生存环境（有机物浓度、有毒成分、温度等）的变化而即时反馈〔5〕，水样中有机物浓度的变化可以实时影响电活性微生物的代谢活性，进而反馈到其产电性能。基于此原理，将微生物电化学技术应用于BOD传感器，可实现对有机化合物的实时预警和在线监测。笔者梳理了基于微生物电化学技术的BOD传感器的发展历程及其最新研究进展，介绍了微生物电化学BOD传感器的工作原理及基本类型，围绕常用的微生物燃料电池（MFC）型BOD传感器展开重点论述，以期为今后该领域的研究发展提供新见解。1微生物电化学BOD传感器概述
根据国际理论和应用化学联合会（IUPAC）的定义，任何将物理化学传感器与能够识别生物衍生分子的元件相结合的分析设备都被定义为生物传感器〔1〕。电化学生物传感器以电极作为转换元件和固定载体，将生物敏感物质如抗原、抗体、酶、激素或者生物本身作为敏感元件固定在电极上，利用电极充当电子供体或受体模拟生物体系电子传递机理和代谢过程。电化学生物传感器通过生物分子间的特异性识别和电化学分析方法的灵敏度，并结合两者的实时检测性，将目标分子与其反应信号转化成电信号，如电容、电流、电位、电导率等，从而实现对目标分析物的定性或定量检测。依据敏感元件的不同，电化
学生物传感器可分为电化学免疫传感器、电化学酶电极传感器、电化学DNA传感器、组织或细胞器电极传感器以及微生物电化学传感器等。在微生物电化学BOD传感器中，生物衍生分子通过识别有机化合物浓度的突然变化，并将识别过程以信号的形式发送，经进一步放大、处理和存储后，转化为电信号输出。微生物电化学传感器的主要核心部件是生物识别元件和换能器。1.1微生物电化学传感器的组成
1.1.1生物识别元件
生物识别元件也称生物敏感膜或生物功能膜，通常为酶、细胞、有机物分子等生物活性单元〔6〕，是微生物电化学传感器的核心器件〔2〕。分子识别能力越高，生物传感器的选择性和灵敏度也越高，传感器的性能越好〔7〕。BOD传感器要求生物识别元件对各种有机物具有低选择性和高生物氧化活性，以便监测不同来源的废水〔8〕。目前，应用在BOD传感器中最多的生物识别元件是酶和微生物细胞。以固定化酶作为生物识别元件的BOD传感器灵敏度较高、专一性较强，但提取纯化酶的难度大，酶的保存期限较短，极易失活〔6〕。而以微生物细胞为生物识别元件的BOD传感器没有严格的运行条件限制，具有较长的保存期限，同时也避免了昂贵的酶纯化成本，其本质是固定化微生物细胞接触分析物后，利用其体内的酶或代谢系统来识别和测定相应底物〔9〕。
近年来，研究人员对一些已被证明具有胞外电子传递能力的电活性微生物能否作为传感器生物识别元件进行了广泛研究，其中研究和应用较多的电活性菌是2株革兰氏阴性菌：Geobacter和She⁃wanella〔10
〕。A.S.COMMAULT等〔11〕提出了一种新型BOD传感器，该传感器首次将以乙醇为唯一碳源培养的Geobacter为主的生物膜作为生物识别元件，与以乙酸作为唯一碳源培养的微生物膜传感元件相比，具有更广泛的底物用途，可用于监测乳制品废水或饮料工业废水的有机物浓度。M.W.A.SPURR 等〔12〕以Geobacter和Porphyromonadaceae驯化阳极生物膜，将3个反应器串联得到多级BOD传感器，其BOD线性响应上限扩展至720mg/L。M.C.HSIEH 等〔13〕将Shewanella frigidimarina与其他菌种混合培养制备BOD传感器，其BOD在8~240mg/L范围内呈现良好的线性响应。
1.1.2换能器
在微生物电化学BOD传感器中，换能器根据分析物的浓度将微生物反应转换为电信号或数字信号并对信号进行处理和分析。换能器分析电信号主要有3种方法：（1）将传感器的最大电流输出作为分析信号〔14〕；（2）将最大开路电压作为分析指标〔15-17〕；（3）将库仑产率（CY）作为分析信号。与前2种方法相比，库仑产率法表现出显著的线性相关性和准确性。Yangyang GAO等〔18〕将部分库仑产率作为一种
可持续发展污水处理专题工业水处理2022-06，42（6）
新的BOD计算方法，取电压下降率最大的点作为数
据采集点计算相应的BOD，与传统库仑产率分析方
法相比，该方法可以避免模糊的实验尾部数据，具有
更高的准确性（R2=0.999），且响应时间缩短为
（0.99±0.18）~（18.08±0.58）h。采用的信号处理方式
不同，所用到的换能器设备也不同。目前，Medge
Tech电压记录仪、多通道电化学分析仪等多种仪器
都被广泛用于传感器构建中。
1.2微生物电化学BOD传感器的原理
最传统的微生物电化学BOD传感器是利用氧
电极完成生物信号转化为电信号或数字信号的氧电
极型传感器。1956年，L.C.CLARK将与透氧膜连
接的铅作为阴极，银作为阳极，0.1mol/L的KCl作为
支持电解质，组装了Clark溶解氧探针。缓冲溶液中
的溶解氧通过透氧膜与生物膜接触，此时微生物因
细胞呼吸会消耗部分溶解氧，Clark电极可监测剩余
的溶解氧。测量开始时，溶解氧的扩散与微生物的
内源呼吸速率达到平衡，此时可测到一个稳定的电流值；含有机物的待测水样进入测量室后，微生物在分解有机物的过程中会继续消耗溶解氧〔7〕，导致水中溶解氧下降〔2，19〕，Clark电极的电流逐渐下降，直至达到新的平衡后，电流呈现新的稳定值〔7〕。Clark电极独特的探头设计提高了传感器的灵敏度〔20-21〕，但由于受到电解质溶液消耗和阳极氧化的限制，这种探针使用寿命有限且存在不稳定性。
与此同时，越来越多的研究利用氧化还原介体代替分子氧作为监测微生物分解代谢的最终电子受体。通常利用铁、二茂铁等可逆氧化还原物质代替溶解氧促进微生物发生生化反应、进行电子转移、实现电信号的转化。媒介型BOD传感器因中介物质的氧化还原性能较强，可提高反应速率，响应更为迅速〔22〕。胡磊等〔23〕将二茂铁通过缩合反应接枝到大分子介孔材料SBA-15的表面，用作微生物生化反应传递电子的介体，与微生物混合后通过聚乙烯醇固定在玻碳电极上，制得的传感器线性范围在2~300mg/L，精密度为4.2%。Jingfang HU等〔24〕利用铁作为中介体制得的传感器线性范围在
4~60mg/L，BOD检出限为1.8mg/L。
表1对比了几种不同类型微生物电化学BOD传感器的响应时间和响应范围。
随着对电活性微生物研究的不断深入，直接利用微生物的电子传递特性将有机物中的化学能转化为电能的传感器也逐渐受到学者的关注，这种传感器直接利用微生物作为催化剂促进特定氧化还原反应的进行。电活性微生物通过新陈代谢可以向阳极释放电子，也可以从阴极接受电子，其电子转移的机制可分为3种不同的类别〔34〕：（1）直接通过膜外的细胞素；（2）直接穿过纳米线；（3）间接穿过分解物。第1种是最常见的机制，因为这种方式消耗的能量更低。目前阳极电活性微生物膜已被广泛运用到实际水体BOD监测中，阳极电活性微生物对供其呼吸的基质非常敏感，当水样有机物浓度增加时，微生物电子传递产生的电流会相应增加，直到达到阈值〔34〕。基于该原理的BOD传感器响应时间短、适用范围广、稳定性好且操作简便〔22〕。
1.3微生物电化学BOD传感器的类型
微生物电化学BOD传感器的类型多种多样，根据传感元件所用微生物的纯度可以划分为单一菌种BOD传感器和混合菌种BOD传感器；根据是否需要外加电源可分为微生物电解池（MEC）型BOD传感器和微生物燃料电池（MFC）型BOD传感器；根据输出电信号指标的不同可划分为电流型、电压型以及库仑量型BOD传感器等。
1.3.1单一菌种和混合菌种BOD传感器
根据所用微生物是否为纯菌，可把微生物电化学BOD传感器分为单一菌种BOD传感器和混合菌表1不同类型微生物电化学BOD传感器的对比Table1Comparisons of BOD sensors based on different types of microbial electrochemical technology
类型
氧电极型
氧电极型
氧电极型
氧电极型
介质型
光纤型
光纤型
光纤型
光纤型
微生物类型
酵母
酵母
丁香假单胞菌
（Pseudomonas
syringae）
恶臭假单胞菌
（Pseudomonas
putida）
酵母
费氏弧菌
（Vibrio fischeri）
地衣芽孢杆菌（B.
licheniformis），
马氏芽孢杆菌
（D.maris和M.
marinus）
海水提取的
混菌体系
荧光假单胞菌
（Pseudomonas
fluorescens）
响应时间/
min
—
—
3~5
13~17
—
—
3.2
27~32
—
动态响应范围/
（mg·L-1）
10~50
1~45
5~100
0.5~10
2~100（谷氨酸）
3~200
0.2~40
4~200
14~176
参考
文献
〔25〕
〔26〕
〔27〕
〔28〕
〔29〕
〔30〕
〔31〕
〔32〕
〔33〕
工业水处理2022-06，42（6）廖承美，等：基于微生物电化学技术的BOD传感器的研究进展
种BOD传感器。通常采用单一菌种作生物识别元件的传感器测量稳定性良好且使用寿命较长，但广谱性较差，不能作为处理所有类型废水的理想装置。近期报道的单一菌种BOD传感器中，常用的菌株有铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）〔35〕、嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）等。Jingfang HU等〔36〕基于聚中性红和铜绿假单胞菌修饰的微电极阵列构建了一种新型BOD传感器，在5~100mg/L范围内得到稳定的线性关系曲线；在50mg/L的BOD标准溶液中进行稳定性测验时，1d后电流响应只下降了2.5%，10d后也仅下降16%。M.RAUD等〔8〕将嗜水气单胞菌和荧光假单胞菌构成的BOD传感器进行了比较研究，其中嗜水气单胞菌构建的电化学BOD传感器处理含脂肪废水可维持110d的使用寿命和90d的稳定周期，但其线性范围的上限仅有45mg/L。
多种微生物的组合元件具有较高的生物量密度和活性，因此灵敏性和广谱性更高，响应范围也更宽。Yue YI等〔37〕比较分析了混合菌种和单一罗氏希瓦氏菌PV-4（Shewanella loihica PV-4，S.loihica PV-4）构建的BOD传感器，混菌传感器体系可得到稳定输出电压的BOD范围为0~65.25mg/L，而单一S.loihica PV-4构建的传感器可稳定输出电压的BOD范围为43.50~65.25mg/L。但由于不同微生物之间存
在竞争或捕食关系，这种组合元件的精密度和稳定性较低，优化混合菌种组分或采用巧妙的固定化方式可解决精密度和稳定性的问题。S.RASTOGI等〔38〕从污水样品分离出Enterobacter cloaca、Citrobacter amalonaticus、Pseudomonas aeruginosa、Yersinia enterocolitica、Klebsiella oxytoca、Enterobacter sakazaki和Serratia liquefaciens共7种菌株，并探究出pH为6.8、温度为4℃条件下的微生物膜稳定性好、生存力强；这种混合菌BOD传感器具有180d的稳定性，可重复使用约200个循环，适用于含低、中、高可生物降解有机物工业废水BOD的测定。V.A.ARLYAPOV等〔39〕报道了一种新的混菌BOD传感器，将从活性污泥中分离的叶式副球菌（Paracoccus yeei）、维氏假单胞菌（Pseudomonas veronii）和溶蛋白芽孢杆菌（Bacillus proteolyticus）通过逐层沉积技术形成多层识别元件，这种新型逐层固定方式提高了细菌细胞基生物传感器的敏感性，将检出限降至0.5mg/L（以O2计）。1.3.2MEC型和MFC型BOD传感器
MEC型BOD传感器需要外部电源供能，Yue YI 等〔40〕首次提出了一种利用电化学活性细菌同时测定水中BOD和硝酸盐的方法，研究了S.loihica PV-4的双向胞外电子转移能力，基于S.loihica PV-4生物膜的亲阴性，建立了BOD和硝酸盐的双检测MEC传感器。Huan LÜ等〔41〕采用原位培养MEC型传感器快速测定了海水BOD，海水原位培养的微生物能够耐受高盐浓度，提高了传感器在极端条件下的生存能力和稳定性。MEC型BOD传感器原理见图1。
MFC型传感器是最常用的BOD传感器，通常由质子交换膜隔开的阳极室和阴极室组成，利用微生物在厌
氧条件下分解有机物，产生的电子经外电路流到阴极与分解产生的质子和空气中的氧气反应生成水，过程中产生电能。笔者后续也将重点介绍该类型的BOD传感器。
表2对2种类型的传感器进行了详细的比较说明。
2微生物燃料电池（MFC）型BOD传感器2.1发展历程
1977年，I.KARUBE等〔47〕首次制作了以固定化土壤菌与铂电极构成的MFC型BOD传感器，在37℃下该传感器能监测到产生电流的下降，并在30~40min内达到稳定状态，当BOD<300mg/L时，电流与BOD成正比；利用该传感器对屠宰场、食品厂和酒精厂废水进行BOD测定，结果与5日生化稀释接种法测定结果的相对误差<10%；
该传感器具有检图1MEC型BOD传感器原理示意
Fig.1Schematic diagram of MEC-type BOD sensor
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测时间短的明显优势，但寿命非常短〔46〕。此后，学者们开展了对MFC型BOD传感器的研究探索。J. L.STIRLING等〔48〕在1983年制作了含氧化还原介体的MFC型BOD传感器，氧化还原介体有促进电子传递的作用，因此可以提高MFC的转化率；但是氧化还原介体对微生物具有毒害作用，导致该MFC型BOD传感器无法长期稳定运行〔49〕；同时，由于氧化还原介体的不断流逝，该传感器还不能实现实时在线检测〔50〕。2002年H.J.KIM等〔51〕报道了一种利用Shewanella putrefaciens制作的无介体MFC型BOD传感器，这种电活性微生物能够使降解产生的电子快速地转移到阳极上，从而实现无介体的电子传递；在BOD为20~206mg/L时，该传感器的电流与BOD呈现明显的线性关系（R2=0.99）；由于该传感器是利用自然富集的电活性微生物为传感元件的无介体传感器，因此它比之前的传感器具有更高的准确性〔52〕。自从无介体的MFC型传感器问世后，国内外学者纷纷构建了不同类型的BOD传感器。K.H.KANG 等〔52〕从地表水中富集寡营养型微生物构建了一种BOD传感器，通过增强阴极反应、降低阳极室中氧的扩散，实现了针对低BOD的检测；这是有关寡养型电活性微生物的首次报道，为降低MFC传感器的检测限奠定了基础。近年来，国内外学者的研究方向聚焦到了对传感器参数的优化，包括流体模式的改进、传感器容积的缩小、电极材料的改良等，以构建性能更好的MFC型BOD传感器。
2.2工作原理
MFC是利用电活性微生物将废水中有机物的化学能转化为电能的一种装置，阳极的电活性微生物通过呼吸代谢作用产生电子，电子经外电路从阳极转移到阴极，从而产生电流。研究发现，在一定条件下MFC的电流和转移的电荷量等电信号输出强度与底物中BOD成正比，这为MFC型BOD传感器的研发提供了基础〔53〕，但这种正比关系只在一定浓度范围内才成立，当有机物浓度达到饱和时，电信号强度就不会再增大。可以使用莫诺德方程来描述阳极微生物膜氧化有机底物时的速率变化〔54〕：
r ut=q max X f L f S K s，app+S
式中：r ut——单位面积的底物利用速率（以COD计），g/（m2·d）；
reactor technology
q max——单位VSS最大底物利用速率（以COD计），
g/（g·d）；
X f——电活性微生物的质量浓度（以VSS计），g/m3；
L f——生物膜厚度，m；
K s，app——表观底物半饱和常数（以COD计），g/m3；
S——底物质量浓度（以COD计），g/m3。
一般来讲，电信号可用3种方法分析〔54〕。第1种是以电流输出作为分析信号，该方法通常以单位阳极面积上的最大输出电流为分析量〔55〕。电流测量的是阳极微生物对有机物的氧化速率〔56〕，根据莫诺德方程，当有机物浓度较低时，电流强度与有机物浓度成正比关系；当有机物浓度饱和时，电流也会趋于饱和，不再增加〔57〕。
第2种是以MFC传感器中的库仑量作为分析信号。库仑量，即电荷量，是通过电流对时间的积分得
表2MEC型与MFC型BOD传感器的对比Table2Comparison of BOD sensors based on MEC and MFC
类型MEC型MEC型MEC型MFC型MFC型MFC型MFC型
微生物类型
污水中的混合微生物
S.loihica PV-4
海水原位培养的微生物
污水中的混合微生物
污水中的混合微生物
污水中的混合微生物
运行1a并正常产电的
MFC阳极液
检测范围/
（mg·L-1）
0~130
0~435
1.0~8.0
100~300
10~50
0~350
5~50
阳极材料
石墨纤维刷
碳布
溶解氧探针
碳毡
碳毡
碳布
碳毡
阴极材料
不锈钢编织网
铂
溶解氧探针
碳纤维刷
碳毡
碳纸
负载MnO2的
碳布
质子交换膜
—
—
—
Nafion117
Nafion117
Nafion117
以阳离子交换
膜替代
运行模式
—
3mL/min连续流
3.5mL/min连续流
0.3~1mL/min连续流
20mL/min连续流
0.12~1.5mL/min连续流
序批式
主要工况条件
22.1℃，pH≈7.2
22℃
37℃
25~33℃
—
小体积单室MFC，
19~23℃
30℃
参考
文献
〔42〕
〔40〕
〔41〕
〔43〕
〔44〕
〔45〕
〔46〕

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