廖承美，仲子涵，劉思炎，李 田，王 鑫

（南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

工業(yè)迅猛發(fā)展造成的嚴(yán)重水污染使得水安全問題日益突出，碳中和對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)以及水污染治理都提出了更高的要求。一些水質(zhì)參數(shù)的測(cè)定不僅能夠提供污水處理過程和處理效率的重要信息，也是衡量和監(jiān)控出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)與否的主要參數(shù)。其中，生化需氧量（BOD）是判斷水體受污染程度、指導(dǎo)污水處理工藝設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。因此，BOD 的測(cè)定對(duì)水體污染的預(yù)警和控制具有非常重要的意義，成為了我國(guó)重要的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

常規(guī)的BOD 檢測(cè)方法為5 日呼吸法（BOD5法），通過測(cè)定微生物在特定溫度（通常為20 °C）下代謝有機(jī)化合物維持自身生長(zhǎng)5 d 所需的氧氣量來(lái)估算樣品中有機(jī)物的濃度〔1〕。該方法雖被廣泛使用，但因耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大和維護(hù)成本高等局限性，越來(lái)越不適用于即時(shí)反饋實(shí)時(shí)監(jiān)控和過程控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求〔1-2〕。一些BOD5法的改進(jìn)方法，如測(cè)壓法、增溫法、活性污泥快速法等〔3-4〕，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)BOD 的原位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，更不能滿足污水處理過程中有機(jī)碳源的實(shí)時(shí)調(diào)控需求。因此，亟需一種操作簡(jiǎn)便、節(jié)約時(shí)間、普適性強(qiáng)的新技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水樣中的BOD。

微生物電化學(xué)技術(shù)測(cè)定BOD 是一種新型的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法。微生物的代謝活性隨著生存環(huán)境（有機(jī)物濃度、有毒成分、溫度等）的變化而即時(shí)反饋〔5〕，水樣中有機(jī)物濃度的變化可以實(shí)時(shí)影響電活性微生物的代謝活性，進(jìn)而反饋到其產(chǎn)電性能?；诖嗽?，將微生物電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用于BOD 傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)化合物的實(shí)時(shí)預(yù)警和在線監(jiān)測(cè)。筆者梳理了基于微生物電化學(xué)技術(shù)的BOD 傳感器的發(fā)展歷程及其最新研究進(jìn)展，介紹了微生物電化學(xué)BOD 傳感器的工作原理及基本類型，圍繞常用的微生物燃料電池（MFC）型BOD 傳感器展開重點(diǎn)論述，以期為今后該領(lǐng)域的研究發(fā)展提供新見解。

1 微生物電化學(xué)BOD 傳感器概述

根據(jù)國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）的定義，任何將物理化學(xué)傳感器與能夠識(shí)別生物衍生分子的元件相結(jié)合的分析設(shè)備都被定義為生物傳感器〔1〕。電化學(xué)生物傳感器以電極作為轉(zhuǎn)換元件和固定載體，將生物敏感物質(zhì)如抗原、抗體、酶、激素或者生物本身作為敏感元件固定在電極上，利用電極充當(dāng)電子供體或受體模擬生物體系電子傳遞機(jī)理和代謝過程。電化學(xué)生物傳感器通過生物分子間的特異性識(shí)別和電化學(xué)分析方法的靈敏度，并結(jié)合兩者的實(shí)時(shí)檢測(cè)性，將目標(biāo)分子與其反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，如電容、電流、電位、電導(dǎo)率等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分析物的定性或定量檢測(cè)。依據(jù)敏感元件的不同，電化學(xué)生物傳感器可分為電化學(xué)免疫傳感器、電化學(xué)酶電極傳感器、電化學(xué)DNA 傳感器、組織或細(xì)胞器電極傳感器以及微生物電化學(xué)傳感器等。在微生物電化學(xué)BOD 傳感器中，生物衍生分子通過識(shí)別有機(jī)化合物濃度的突然變化，并將識(shí)別過程以信號(hào)的形式發(fā)送，經(jīng)進(jìn)一步放大、處理和存儲(chǔ)后，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。微生物電化學(xué)傳感器的主要核心部件是生物識(shí)別元件和換能器。

1.1 微生物電化學(xué)傳感器的組成

1.1.1 生物識(shí)別元件

生物識(shí)別元件也稱生物敏感膜或生物功能膜，通常為酶、細(xì)胞、有機(jī)物分子等生物活性單元〔6〕，是微生物電化學(xué)傳感器的核心器件〔2〕。分子識(shí)別能力越高，生物傳感器的選擇性和靈敏度也越高，傳感器的性能越好〔7〕。BOD 傳感器要求生物識(shí)別元件對(duì)各種有機(jī)物具有低選擇性和高生物氧化活性，以便監(jiān)測(cè)不同來(lái)源的廢水〔8〕。目前，應(yīng)用在BOD 傳感器中最多的生物識(shí)別元件是酶和微生物細(xì)胞。以固定化酶作為生物識(shí)別元件的BOD 傳感器靈敏度較高、專一性較強(qiáng)，但提取純化酶的難度大，酶的保存期限較短，極易失活〔6〕。而以微生物細(xì)胞為生物識(shí)別元件的BOD 傳感器沒有嚴(yán)格的運(yùn)行條件限制，具有較長(zhǎng)的保存期限，同時(shí)也避免了昂貴的酶純化成本，其本質(zhì)是固定化微生物細(xì)胞接觸分析物后，利用其體內(nèi)的酶或代謝系統(tǒng)來(lái)識(shí)別和測(cè)定相應(yīng)底物〔9〕。

近年來(lái)，研究人員對(duì)一些已被證明具有胞外電子傳遞能力的電活性微生物能否作為傳感器生物識(shí)別元件進(jìn)行了廣泛研究，其中研究和應(yīng)用較多的電活性菌是2 株革蘭氏陰性菌：Geobacter和Shewanella〔10〕。A. S. COMMAULT 等〔11〕提出了一種新型BOD 傳感器，該傳感器首次將以乙醇為唯一碳源培養(yǎng)的Geobacter為主的生物膜作為生物識(shí)別元件，與以乙酸作為唯一碳源培養(yǎng)的微生物膜傳感元件相比，具有更廣泛的底物用途，可用于監(jiān)測(cè)乳制品廢水或飲料工業(yè)廢水的有機(jī)物濃度。M. W. A. SPURR等〔12〕以Geobacter和Porphyromonadaceae馴化陽(yáng)極生物膜，將3 個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)得到多級(jí)BOD 傳感器，其BOD 線性響應(yīng)上限擴(kuò)展至720 mg/L。M. C. HSIEH等〔13〕將Shewanella frigidimarina與其他菌種混合培養(yǎng)制備BOD 傳感器，其BOD 在8～240 mg/L 范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性響應(yīng)。

1.1.2 換能器

在微生物電化學(xué)BOD 傳感器中，換能器根據(jù)分析物的濃度將微生物反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析。換能器分析電信號(hào)主要有3 種方法：（1）將傳感器的最大電流輸出作為分析信號(hào)〔14〕；（2）將最大開路電壓作為分析指標(biāo)〔15-17〕；（3）將庫(kù)侖產(chǎn)率（CY）作為分析信號(hào)。與前2 種方法相比，庫(kù)侖產(chǎn)率法表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)性和準(zhǔn)確性。Yangyang GAO 等〔18〕將部分庫(kù)侖產(chǎn)率作為一種新的BOD 計(jì)算方法，取電壓下降率最大的點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)計(jì)算相應(yīng)的BOD，與傳統(tǒng)庫(kù)侖產(chǎn)率分析方法相比，該方法可以避免模糊的實(shí)驗(yàn)尾部數(shù)據(jù)，具有更高的準(zhǔn)確性（R2=0.999），且響應(yīng)時(shí)間縮短為（0.99±0.18）～（18.08±0.58）h。采用的信號(hào)處理方式不同，所用到的換能器設(shè)備也不同。目前，Medge Tech 電壓記錄儀、多通道電化學(xué)分析儀等多種儀器都被廣泛用于傳感器構(gòu)建中。

1.2 微生物電化學(xué)BOD 傳感器的原理

最傳統(tǒng)的微生物電化學(xué)BOD 傳感器是利用氧電極完成生物信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)的氧電極型傳感器。1956 年，L. C. CLARK 將與透氧膜連接的鉛作為陰極，銀作為陽(yáng)極，0.1 mol/L 的KCl 作為支持電解質(zhì)，組裝了Clark 溶解氧探針。緩沖溶液中的溶解氧通過透氧膜與生物膜接觸，此時(shí)微生物因細(xì)胞呼吸會(huì)消耗部分溶解氧，Clark 電極可監(jiān)測(cè)剩余的溶解氧。測(cè)量開始時(shí)，溶解氧的擴(kuò)散與微生物的內(nèi)源呼吸速率達(dá)到平衡，此時(shí)可測(cè)到一個(gè)穩(wěn)定的電流值；含有機(jī)物的待測(cè)水樣進(jìn)入測(cè)量室后，微生物在分解有機(jī)物的過程中會(huì)繼續(xù)消耗溶解氧〔7〕，導(dǎo)致水中溶解氧下降〔2，19〕，Clark 電極的電流逐漸下降，直至達(dá)到新的平衡后，電流呈現(xiàn)新的穩(wěn)定值〔7〕。Clark 電極獨(dú)特的探頭設(shè)計(jì)提高了傳感器的靈敏度〔20-21〕，但由于受到電解質(zhì)溶液消耗和陽(yáng)極氧化的限制，這種探針使用壽命有限且存在不穩(wěn)定性。

與此同時(shí)，越來(lái)越多的研究利用氧化還原介體代替分子氧作為監(jiān)測(cè)微生物分解代謝的最終電子受體。通常利用鐵氰化鉀、二茂鐵等可逆氧化還原物質(zhì)代替溶解氧促進(jìn)微生物發(fā)生生化反應(yīng)、進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移、實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。媒介型BOD 傳感器因中介物質(zhì)的氧化還原性能較強(qiáng)，可提高反應(yīng)速率，響應(yīng)更為迅速〔22〕。胡磊等〔23〕將二茂鐵通過縮合反應(yīng)接枝到大分子介孔材料SBA-15 的表面，用作微生物生化反應(yīng)傳遞電子的介體，與微生物混合后通過聚乙烯醇固定在玻碳電極上，制得的傳感器線性范圍在2～300 mg/L，精密度為4.2%。Jingfang HU 等〔24〕利用鐵氰化物作為中介體制得的傳感器線性范圍在4～60 mg/L，BOD 檢出限為1.8 mg/L。

表1 對(duì)比了幾種不同類型微生物電化學(xué)BOD 傳感器的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)范圍。

表1 不同類型微生物電化學(xué)BOD 傳感器的對(duì)比Table 1 Comparisons of BOD sensors based on different types of microbial electrochemical technology

隨著對(duì)電活性微生物研究的不斷深入，直接利用微生物的電子傳遞特性將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的傳感器也逐漸受到學(xué)者的關(guān)注，這種傳感器直接利用微生物作為催化劑促進(jìn)特定氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行。電活性微生物通過新陳代謝可以向陽(yáng)極釋放電子，也可以從陰極接受電子，其電子轉(zhuǎn)移的機(jī)制可分為3 種不同的類別〔34〕：（1）直接通過膜外的細(xì)胞色素；（2）直接穿過納米線；（3）間接穿過分解物。第1 種是最常見的機(jī)制，因?yàn)檫@種方式消耗的能量更低。目前陽(yáng)極電活性微生物膜已被廣泛運(yùn)用到實(shí)際水體BOD 監(jiān)測(cè)中，陽(yáng)極電活性微生物對(duì)供其呼吸的基質(zhì)非常敏感，當(dāng)水樣有機(jī)物濃度增加時(shí)，微生物電子傳遞產(chǎn)生的電流會(huì)相應(yīng)增加，直到達(dá)到閾值〔34〕?；谠撛淼腂OD 傳感器響應(yīng)時(shí)間短、適用范圍廣、穩(wěn)定性好且操作簡(jiǎn)便〔22〕。

1.3 微生物電化學(xué)BOD 傳感器的類型

微生物電化學(xué)BOD 傳感器的類型多種多樣，根據(jù)傳感元件所用微生物的純度可以劃分為單一菌種BOD 傳感器和混合菌種BOD 傳感器；根據(jù)是否需要外加電源可分為微生物電解池（MEC）型BOD 傳感器和微生物燃料電池（MFC）型BOD 傳感器；根據(jù)輸出電信號(hào)指標(biāo)的不同可劃分為電流型、電壓型以及庫(kù)侖量型BOD 傳感器等。

1.3.1 單一菌種和混合菌種BOD 傳感器

根據(jù)所用微生物是否為純菌，可把微生物電化學(xué)BOD 傳感器分為單一菌種BOD 傳感器和混合菌種BOD 傳感器。通常采用單一菌種作生物識(shí)別元件的傳感器測(cè)量穩(wěn)定性良好且使用壽命較長(zhǎng)，但廣譜性較差，不能作為處理所有類型廢水的理想裝置。近期報(bào)道的單一菌種BOD 傳感器中，常用的菌株有銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）〔35〕、嗜水氣單胞菌（Aeromonas hydrophila）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）等。Jingfang HU 等〔36〕基于聚中性紅和銅綠假單胞菌修飾的微電極陣列構(gòu)建了一種新型BOD 傳感器，在5～100 mg/L 范圍內(nèi)得到穩(wěn)定的線性關(guān)系曲線；在50 mg/L 的BOD 標(biāo)準(zhǔn)溶液中進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)驗(yàn)時(shí)，1 d 后電流響應(yīng)只下降了2.5%，10 d 后也僅下降16%。M. RAUD 等〔8〕將嗜水氣單胞菌和熒光假單胞菌構(gòu)成的BOD 傳感器進(jìn)行了比較研究，其中嗜水氣單胞菌構(gòu)建的電化學(xué)BOD 傳感器處理含脂肪廢水可維持110 d 的使用壽命和90 d 的穩(wěn)定周期，但其線性范圍的上限僅有45 mg/L。

多種微生物的組合元件具有較高的生物量密度和活性，因此靈敏性和廣譜性更高，響應(yīng)范圍也更寬。Yue YI 等〔37〕比較分析了混合菌種和單一羅氏希瓦氏菌PV-4（Shewanella loihicaPV-4，S.loihicaPV-4）構(gòu)建的BOD 傳感器，混菌傳感器體系可得到穩(wěn)定輸出電壓的BOD 范圍為0～65.25 mg/L，而單一S. loihicaPV-4 構(gòu)建的傳感器可穩(wěn)定輸出電壓的BOD 范圍為43.50～65.25 mg/L。但由于不同微生物之間存在競(jìng)爭(zhēng)或捕食關(guān)系，這種組合元件的精密度和穩(wěn)定性較低，優(yōu)化混合菌種組分或采用巧妙的固定化方式可解決精密度和穩(wěn)定性的問題。S.RASTOGI 等〔38〕從污水樣品分離出Enterobacter cloaca、Citrobacter amalonaticus、Pseudomonas aeruginosa、Yersinia enterocolitica、Klebsiella oxytoca、Enterobacter sakazaki和Serratia liquefaciens共7種菌株，并探究出pH 為6.8、溫度為4 ℃條件下的微生物膜穩(wěn)定性好、生存力強(qiáng)；這種混合菌BOD 傳感器具有180 d 的穩(wěn)定性，可重復(fù)使用約200 個(gè)循環(huán)，適用于含低、中、高可生物降解有機(jī)物工業(yè)廢水BOD 的測(cè)定。V. A. ARLYAPOV 等〔39〕報(bào)道了一種新的混菌BOD 傳感器，將從活性污泥中分離的葉式副球菌（Paracoccus yeei）、維氏假單胞菌（Pseudomonas veronii）和溶蛋白芽孢桿菌（Bacillus proteolyticus）通過逐層沉積技術(shù)形成多層識(shí)別元件，這種新型逐層固定方式提高了細(xì)菌細(xì)胞基生物傳感器的敏感性，將檢出限降至0.5 mg/L（以O(shè)2計(jì)）。

1.3.2 MEC型和MFC 型BOD傳感器

MEC 型BOD 傳感器需要外部電源供能，Yue YI等〔40〕首次提出了一種利用電化學(xué)活性細(xì)菌同時(shí)測(cè)定水中BOD 和硝酸鹽的方法，研究了S.loihicaPV-4 的雙向胞外電子轉(zhuǎn)移能力，基于S.loihicaPV-4 生物膜的親陰性，建立了BOD 和硝酸鹽的雙檢測(cè)MEC 傳感器。Huan Lü 等〔41〕采用原位培養(yǎng)MEC 型傳感器快速測(cè)定了海水BOD，海水原位培養(yǎng)的微生物能夠耐受高鹽濃度，提高了傳感器在極端條件下的生存能力和穩(wěn)定性。MEC 型BOD 傳感器原理見圖1。

圖1 MEC 型BOD 傳感器原理示意Fig.1 Schematic diagram of MEC-type BOD sensor

MFC 型傳感器是最常用的BOD 傳感器，通常由質(zhì)子交換膜隔開的陽(yáng)極室和陰極室組成，利用微生物在厭氧條件下分解有機(jī)物，產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路流到陰極與分解產(chǎn)生的質(zhì)子和空氣中的氧氣反應(yīng)生成水，過程中產(chǎn)生電能。筆者后續(xù)也將重點(diǎn)介紹該類型的BOD 傳感器。

表2 對(duì)2 種類型的傳感器進(jìn)行了詳細(xì)的比較說明。

表2 MEC 型與MFC 型BOD 傳感器的對(duì)比Table 2 Comparison of BOD sensors based on MEC and MFC

2 微生物燃料電池（MFC）型BOD 傳感器

2.1 發(fā)展歷程

1977 年，I. KARUBE 等〔47〕首次制作了以固定化土壤菌群與鉑電極構(gòu)成的MFC 型BOD 傳感器，在37 ℃下該傳感器能監(jiān)測(cè)到產(chǎn)生電流的下降，并在30～40 min 內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)BOD＜300 mg/L 時(shí)，電流與BOD 成正比；利用該傳感器對(duì)屠宰場(chǎng)、食品廠和酒精廠廢水進(jìn)行BOD 測(cè)定，結(jié)果與5 日生化稀釋接種法測(cè)定結(jié)果的相對(duì)誤差＜10%；該傳感器具有檢測(cè)時(shí)間短的明顯優(yōu)勢(shì)，但壽命非常短〔46〕。此后，學(xué)者們開展了對(duì)MFC 型BOD 傳感器的研究探索。J.L. STIRLING 等〔48〕在1983 年制作了含氧化還原介體的MFC 型BOD 傳感器，氧化還原介體有促進(jìn)電子傳遞的作用，因此可以提高M(jìn)FC 的轉(zhuǎn)化率；但是氧化還原介體對(duì)微生物具有毒害作用，導(dǎo)致該MFC 型BOD 傳感器無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行〔49〕；同時(shí)，由于氧化還原介體的不斷流逝，該傳感器還不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)〔50〕。2002 年H. J. KIM 等〔51〕報(bào)道了一種利用Shewanella putrefaciens制作的無(wú)介體MFC 型BOD 傳感器，這種電活性微生物能夠使降解產(chǎn)生的電子快速地轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極上，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)介體的電子傳遞；在BOD 為20～206 mg/L時(shí)，該傳感器的電流與BOD 呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系（R2=0.99）；由于該傳感器是利用自然富集的電活性微生物為傳感元件的無(wú)介體傳感器，因此它比之前的傳感器具有更高的準(zhǔn)確性〔52〕。自從無(wú)介體的MFC 型傳感器問世后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛構(gòu)建了不同類型的BOD 傳感器。K. H. KANG等〔52〕從地表水中富集寡營(yíng)養(yǎng)型微生物構(gòu)建了一種BOD 傳感器，通過增強(qiáng)陰極反應(yīng)、降低陽(yáng)極室中氧的擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)低BOD 的檢測(cè)；這是有關(guān)寡養(yǎng)型電活性微生物的首次報(bào)道，為降低MFC 傳感器的檢測(cè)限奠定了基礎(chǔ)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究方向聚焦到了對(duì)傳感器參數(shù)的優(yōu)化，包括流體模式的改進(jìn)、傳感器容積的縮小、電極材料的改良等，以構(gòu)建性能更好的MFC 型BOD 傳感器。

2.2 工作原理

MFC 是利用電活性微生物將廢水中有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，陽(yáng)極的電活性微生物通過呼吸代謝作用產(chǎn)生電子，電子經(jīng)外電路從陽(yáng)極轉(zhuǎn)移到陰極，從而產(chǎn)生電流。研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下MFC 的電流和轉(zhuǎn)移的電荷量等電信號(hào)輸出強(qiáng)度與底物中BOD 成正比，這為MFC 型BOD 傳感器的研發(fā)提供了基礎(chǔ)〔53〕，但這種正比關(guān)系只在一定濃度范圍內(nèi)才成立，當(dāng)有機(jī)物濃度達(dá)到飽和時(shí)，電信號(hào)強(qiáng)度就不會(huì)再增大?？梢允褂媚Z德方程來(lái)描述陽(yáng)極微生物膜氧化有機(jī)底物時(shí)的速率變化〔54〕：

式中：rut——單位面積的底物利用速率（以COD 計(jì)），g/（m2·d）；

qmax——單位VSS最大底物利用速率（以COD計(jì)），g/（g·d）；

Xf——電活性微生物的質(zhì)量濃度（以VSS 計(jì)），g/m3；

Lf——生物膜厚度，m；

Ks，app——表觀底物半飽和常數(shù)（以COD計(jì)），g/m3；

S——底物質(zhì)量濃度（以COD 計(jì)），g/m3。

一般來(lái)講，電信號(hào)可用3 種方法分析〔54〕。第1種是以電流輸出作為分析信號(hào)，該方法通常以單位陽(yáng)極面積上的最大輸出電流為分析量〔55〕。電流測(cè)量的是陽(yáng)極微生物對(duì)有機(jī)物的氧化速率〔56〕，根據(jù)莫諾德方程，當(dāng)有機(jī)物濃度較低時(shí)，電流強(qiáng)度與有機(jī)物濃度成正比關(guān)系；當(dāng)有機(jī)物濃度飽和時(shí)，電流也會(huì)趨于飽和，不再增加〔57〕。

第2 種是以MFC 傳感器中的庫(kù)侖量作為分析信號(hào)。庫(kù)侖量，即電荷量，是通過電流對(duì)時(shí)間的積分得到的可以表示轉(zhuǎn)換成電流的有機(jī)物的量〔56〕。如果需要更大的線性濃度范圍，以庫(kù)侖量為分析信號(hào)比以電流輸出為分析信號(hào)具有更大的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)速率達(dá)到飽和后，反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短仍然可以反映有機(jī)物濃度。此外，因?yàn)椴煌袡C(jī)物被微生物降解的速率不同，使用庫(kù)侖量分析混合有機(jī)底物也具有優(yōu)勢(shì)。因此，在檢測(cè)總體有機(jī)物濃度參數(shù)（如COD）時(shí)，使用庫(kù)侖量為分析信號(hào)的效果優(yōu)于使用輸出電流的效果〔54〕。

少量的研究還以電壓作為分析信號(hào)。M. H. DO等〔43〕在研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)BOD 在100～300 mg/L 時(shí)，電壓與有機(jī)物濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，而當(dāng)BOD 超過300 mg/L 時(shí)，兩者沒有相關(guān)性。W. LOGRONO 等〔16〕以最大開路電壓作為分析信號(hào)對(duì)有機(jī)物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然而該方法僅得出2 個(gè)有效BOD，以最大開路電壓為分析信號(hào)的有效性有待進(jìn)一步研究。

2.3 反應(yīng)器構(gòu)型

2.3.1 單 室MFC 型BOD傳感器

單室MFC 型BOD 傳感器的優(yōu)勢(shì)在于避免了曝氣、再生和陰極液回收等復(fù)雜繁瑣的操作步驟〔58〕，顯著降低了運(yùn)行成本。吳峰等〔46〕以廉價(jià)的MnO2為陰極催化劑，采用價(jià)格相對(duì)低的陽(yáng)離子交換膜代替價(jià)格昂貴的質(zhì)子交換膜構(gòu)建了單室型BOD 傳感器，其構(gòu)建成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最低檢出限為0.2 mg/L，與標(biāo)準(zhǔn)BOD5法檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差在4.0%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了BOD 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。除此之外，單室中陰極良好的供氧效率也可以擴(kuò)展BOD 傳感器的檢測(cè)范圍。M. DI LORENZO 等〔45〕通過設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單緊湊的單室MFC 作為BOD 生物傳感器，首次開創(chuàng)了廢水中揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)，與雙室傳感器相比，該單室傳感器的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)范圍增大133%，同時(shí)重現(xiàn)性很好。M.DI LORENZO 等〔45，59〕設(shè)計(jì)的單室傳感器變異系數(shù)在0.53%，明顯高于以往的MFC 型BOD 傳感器。G. M. TARDY 等〔60〕采用單室型空氣陰極MFC 對(duì) 含有懸浮物和膠體有機(jī)物（如玉米淀粉、牛奶）等的實(shí)際廢水進(jìn)行了BOD 監(jiān)測(cè)，得到了R2＞0.97 的線性相關(guān)性，證明了使用MFC 型BOD 傳感器對(duì)含懸浮物和膠體的底物有良好的檢測(cè)效果。單室型空氣陰極MFC 只需要很少的維護(hù)，且容易通過電壓信號(hào)完成自動(dòng)化工作，進(jìn)一步證明了MFC 型BOD 傳感器的可應(yīng)用性。然而，單室傳感器的明顯不足是其響應(yīng)時(shí)間比雙室傳感器長(zhǎng)〔45〕，學(xué)者們嘗試通過減小反應(yīng)器體積、控制進(jìn)水流速〔61〕等方法縮短單室傳感器響應(yīng)時(shí)間。

2.3.2 雙室MFC型BOD傳感器

雙室MFC 型傳感器具有穩(wěn)定性強(qiáng)、庫(kù)侖效率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前BOD 監(jiān)測(cè)應(yīng)用中最常用的構(gòu)型〔62〕。I. S. CHANG〔63〕等構(gòu)建了雙室無(wú)介體MFC 作為BOD傳感器，所測(cè)的BOD 與電池電量之間的線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99，每單元最大發(fā)電功率比之前報(bào)道的無(wú)介體單室MFC 高60 倍以上；這是首次報(bào)道的連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)電的MFC 傳感器，自此國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷優(yōu)化雙室MFC 型BOD 傳感器的性能。M. H. DO 等〔43〕設(shè)計(jì)了一種無(wú)介體雙室MFC 傳感器，當(dāng)電池在外部電阻為1 000 Ω 的條件下運(yùn)行時(shí)，可以在30 d 內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的功率；BOD 檢測(cè)范圍更廣，最高可達(dá)300 mg/L。田帥等〔44〕首次添加L-半胱氨酸作為陽(yáng)極室的吸氧劑并在陰極室采用循環(huán)曝氣供氧，建立了雙室型MFC 傳感器，研究顯示BOD 檢測(cè)值與真實(shí)值的相對(duì)誤差小于15%；同時(shí)該傳感器穩(wěn)定運(yùn)行了半年，也驗(yàn)證了雙室型MFC 傳感器具有運(yùn)行穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。

單室和雙室MFC 型BOD 傳感器機(jī)理示意見圖2。

圖2 MFC 型BOD 傳感器原理示意Fig.2 Schematic diagram of MFC-type BOD sensor

2.3.3 流體模式

流體模式是影響傳感器靈敏度的關(guān)鍵因素，增大生物膜表面的傳質(zhì)，傳感器的靈敏度將大大提高。通過簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)流量和剪切速率，同時(shí)優(yōu)化生物膜結(jié)構(gòu)（如EPS、孔隙度和密度），就可以有效促進(jìn)傳質(zhì)，提高傳感器的敏感性〔64〕。穿透流是指強(qiáng)迫檢測(cè)水樣穿過多孔陽(yáng)極的一種流體模式，通過提高陽(yáng)極的傳質(zhì)過程提高傳感器的靈敏度〔54〕。蔣永〔54〕制作了一種穿透電極構(gòu)型的MFC 型傳感器，并發(fā)現(xiàn)該傳感器相對(duì)于側(cè)流進(jìn)水模式靈敏度提高了15～41倍。除此之外，有借鑒意義的是，Yong JIANG 等〔65〕還制作了一種MFC 毒性傳感器，使用穿透流的電流是使用側(cè)流進(jìn)水模式的2～14 倍。序批式和連續(xù)式進(jìn)水也是MFC 常用的流體模式。M. W. SPURR等〔66〕將序批式MFC 傳感器運(yùn)行了848 d，在此期間對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)大部分點(diǎn)落在Hill 模型的95%預(yù)測(cè)帶上，MFC 中膜電極組件更換、陽(yáng)極生物膜老化等并沒有對(duì)校準(zhǔn)范圍產(chǎn)生明顯影響，這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明該傳感器的維護(hù)需求很小，對(duì)BOD 傳感器的商業(yè)化應(yīng)用具有一定意義。然而，實(shí)際應(yīng)用中更需要連續(xù)性操作〔67〕。M. W. SPURR 等〔66〕將連續(xù)流MFC 傳感器運(yùn)行了757 d，發(fā)現(xiàn)其與序批式傳感器具有相同的穩(wěn)定性，觀察到了相同的重新校準(zhǔn)行為，非線性回歸R2在0.883～0.959 之間，與校準(zhǔn)結(jié)果相比基本沒有偏移。雖然這依賴于操作和環(huán)境條件保持穩(wěn)定，即介質(zhì)組成、外部阻力和其他操作條件（溫度、流量等）的穩(wěn)定，但MFC 型BOD 傳感器仍然展現(xiàn)出穩(wěn)定的響應(yīng)能力，這對(duì)MFC 型BOD 傳感器的商業(yè)化應(yīng)用具有很高的價(jià)值。

除此以外，流速對(duì)傳感器的性能也有一定影響。Nan XIAO 等〔68〕經(jīng)過研究得出當(dāng)待測(cè)樣液流速較低（＜10 μL/min）或者較高（＞70 μL/min）時(shí)，微型MFC 型BOD 傳感器的底物分布不均，生物膜邊緣微生物的生長(zhǎng)和代謝被削弱；最佳流速為50 μL/min時(shí)，乙酸鈉（NaAc）的有效檢測(cè)范圍為0.1～0.7 g/L，相當(dāng)于50～490 mg/L 的BOD。

2.3.4 反應(yīng)器體積

反應(yīng)器的體積越小，單位面積上的傳質(zhì)通量越大，反應(yīng)器的歐姆損失越小〔69〕，因此，可以通過減少反應(yīng)器體積提高傳感器的電流、減少響應(yīng)時(shí)間。H.MOON 等〔61〕已經(jīng)成功驗(yàn)證當(dāng)BOD 在50～100 mg/L時(shí)，將陽(yáng)極室體積從25 mL 降至5 mL 可以使響應(yīng)時(shí)間從（36±2）min 降至（5±1）min。M. DI LORENZO等〔45〕也通過將反應(yīng)器體積從50 mL 降至12.6 mL，減少了77.3%～83.3%的反應(yīng)時(shí)間。然而，在這些研究中，響應(yīng)時(shí)間的縮短往往導(dǎo)致相應(yīng)檢測(cè)濃度范圍的縮小，高BOD 并不能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的高電流響應(yīng)，因而這些裝置在實(shí)際廢水的監(jiān)測(cè)中并不適用〔70〕，這也成為了未來(lái)實(shí)際應(yīng)用中必須關(guān)注的問題。

近年來(lái)，研究人員將微流體的概念引入MFC 傳感器的研究中。微流體MFC是指總細(xì)胞體積在1～200 μL的微型MFC〔71〕，微流管內(nèi)的層流有助于邊界層厚度的減少〔72〕，微尺寸的MFC 具有更大的比表面積、更小的電極間距和更短的響應(yīng)時(shí)間等優(yōu)勢(shì)。Yang YANG 等〔73〕在研究中發(fā)現(xiàn)，微流體MFC 通過調(diào)節(jié)入口條件可以很容易地控制微生物的生長(zhǎng)狀態(tài)；同時(shí)，由于體積小，微流體MFC 的檢出限也很小，尤其適用于待測(cè)物質(zhì)濃度較低的情況。H.LEE 等〔74〕發(fā)現(xiàn)微小的氣泡會(huì)對(duì)微生物的生長(zhǎng)和傳感器的電子轉(zhuǎn)移效率產(chǎn)生負(fù)面影響，因此他們?cè)O(shè)計(jì)了一種微型氣泡捕集器用于捕集流體中的氣泡，該方法具有測(cè)量可控、靈敏度高的特點(diǎn)，展現(xiàn)了微尺寸MFC 的優(yōu)勢(shì)。雖然后續(xù)相關(guān)研究并不多，但隨著微流控的研究向著高速、低消耗、小型化和自動(dòng)化的方向發(fā)展，微流控會(huì)在MFC 傳感器中得到更多的發(fā)展和應(yīng)用〔72，74〕。

2.3.5 電極材料

碳是MFC 型BOD 傳感器最常用的電極材料，碳電極的形式主要有碳棒、碳布、碳?xì)?、碳刷、石墨顆粒填充電極等。相比碳棒、碳布等比表面積較小的電極材料，比表面積較大的碳?xì)?、碳刷等的接觸損耗會(huì)更少〔75〕。S. K. CHAUDHURI 等〔76〕研究發(fā)現(xiàn)，在同一反應(yīng)器中，使用碳?xì)肿鳛殡姌O的電流產(chǎn)量是使用碳棒的3 倍。碳刷是一種將碳纖維纏繞在導(dǎo)電金屬棒上制成的電極，它同樣能起到降低歐姆損耗的作用，而且可以顯著增加電極的比表面積。根據(jù)B.LOGAN 等〔77〕的研究，相同條件下與碳布電極相比，碳刷的電極性能提高了2.5 倍。I. RABAEY 等〔78〕采用石墨顆粒填滿陽(yáng)極室，電極的表面積顯著增加，電極間距降低；當(dāng)陽(yáng)極室COD 負(fù)荷為1 kg/（m3·d）時(shí)，庫(kù)侖效率和能量轉(zhuǎn)換效率分別為50.3%和26.0%。與之類似，M. DI LORENZO 等〔59〕以用石墨顆粒填充層設(shè)計(jì)的陽(yáng)極來(lái)改善BOD 傳感器的性能，當(dāng)顆粒層厚度為1 cm、外部電阻為500 Ω 時(shí)，響應(yīng)時(shí)間比使用碳布陽(yáng)極的MFC 傳感器減少了約65%。通過增大陽(yáng)極的表面積，可以有效改善待測(cè)溶液與生物膜的接觸，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。L. T. B.NGOC 等〔79〕采用填充床生物反應(yīng)器對(duì)西貢食品公司的污水處理廠進(jìn)行BOD 監(jiān)測(cè)，其結(jié)果與常規(guī)的5 天檢測(cè)法結(jié)果基本一致。

另外，為了提高導(dǎo)電性和催化活性，研究者們也常采用催化劑對(duì)電極進(jìn)行化學(xué)修飾〔80〕。D. H.PARK 等〔81〕在碳?xì)蛛姌O上覆蓋電子介體構(gòu)建傳感器，以Mn2+為電子介體進(jìn)行改良的MFC 的電流高于已有報(bào)道的3個(gè)數(shù)量級(jí)。M. ROSENBAUM 等〔82〕以碳化鎢涂層覆蓋碳電極，MFC 的功率提高了2 倍。Tian ZHANG 等〔83〕在石墨電極上涂覆聚四氟乙烯（PTFE），改變了石墨內(nèi)部表面的潤(rùn)濕性，有助于細(xì)菌細(xì)胞的吸附與固定化，從而起到提高M(jìn)FC 功率的效果。除此之外，氨處理被證明是另一種有效提高陽(yáng)極石墨反應(yīng)活性的方法，Shaoan CHENG 等〔84〕使用氨氣對(duì)碳布陽(yáng)極進(jìn)行處理，發(fā)電量提高了48%。

2.4 新技術(shù)的應(yīng)用

近年來(lái)各種新興技術(shù)的興起，給MFC 傳感器帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)，尤其針對(duì)微型MFC 傳感器，新興技術(shù)有利于更精確地微加工。D. ZAWADZKI等〔85〕報(bào)道了一種使用3D 打印技術(shù)，以高沖擊聚苯乙烯為MFC 涂層材料、鋼棉為陽(yáng)極、污水廠污泥為接種源的MFC 傳感器，結(jié)果顯示MFC 運(yùn)行非常穩(wěn)定，3D 打印技術(shù)有很大潛力應(yīng)用于簡(jiǎn)單快速地制備MFC。下一步的研究需要聚焦在通過結(jié)構(gòu)改造（如內(nèi)部孔隙度）來(lái)提高M(jìn)FC 的性能，以及找到能抵抗腐蝕性介質(zhì)、對(duì)微生物安全并能長(zhǎng)時(shí)間使用的最佳熱塑性材料。Nan XIAO 等〔70〕首次報(bào)道了使用X 射線照相技術(shù)將碳布、鉑等電極和離子交換膜整合到一個(gè)器件中構(gòu)成的微型MFC 傳感器，體積為0.72 μL 的傳感器具有較高的靈敏度，而體積為4.5 μL 的傳感器具有更寬的BOD 檢測(cè)范圍（50～490 mg/L）；該傳感器與宏觀尺度傳感器相比，具有更短的響應(yīng)時(shí)間、更寬的線性范圍。這種自動(dòng)、快速測(cè)量BOD 的方式有潛力應(yīng)用于實(shí)際污水的檢測(cè)，然而，較高的造價(jià)阻礙了這種技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。A. FRAIWAN 等〔86〕報(bào)道了一種紙基MFC，其具有成本低的明顯優(yōu)勢(shì)，可以作為一次性診斷生物傳感器應(yīng)用于實(shí)際污水的檢測(cè)。

3 商品化應(yīng)用

韓國(guó)Korbi 公司的HATOX-2000 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及HABS-2000 在線BOD 分析儀是應(yīng)用比較成功的商用MFC 型BOD 傳感器〔54〕。此外，C. D. WARDMAN等〔87〕針對(duì)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)開發(fā)了一種通過監(jiān)測(cè)地下微生物活性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有機(jī)污染物遷移過程的技術(shù)。同類型的微生物電化學(xué)傳感器產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)鳳毛麟角，已知國(guó)內(nèi)唯一一家形成同類型雛形產(chǎn)品的企業(yè)為重慶中科德馨環(huán)?？萍加邢薰鹃_發(fā)的BOD-Q 水質(zhì)BOD 測(cè)定儀，其BOD 傳感器產(chǎn)品主打?qū)OD 的精準(zhǔn)測(cè)定。

利用MFC 傳感器監(jiān)測(cè)BOD，雖然展現(xiàn)了不俗的應(yīng)用潛力，但是在應(yīng)用過程中有如下問題尚未解決：（1）MFC 陰極材料的腐蝕和破壞會(huì)影響傳感器的性能；（2）MFC 的陽(yáng)極微生物群落變化大，不同批次生產(chǎn)的微生物電化學(xué)傳感器無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化，長(zhǎng)期使用誤差明顯；（3）功能單一，無(wú)法滿足同時(shí)對(duì)不同污染物的監(jiān)測(cè)與區(qū)分。

4 結(jié)語(yǔ)和展望

基于微生物電化學(xué)技術(shù)的BOD 傳感器因其安全綠色、快速高效的優(yōu)點(diǎn)，為快速測(cè)定廢水中的可生化降解有機(jī)物提供了技術(shù)支撐。微生物種群的篩選和優(yōu)化、電極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使微生物電化學(xué)BOD 傳感器具有更強(qiáng)的應(yīng)用性能，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上發(fā)展傳感器的信號(hào)處理模式，也有助于提高BOD 傳感器的準(zhǔn)確性。雖然現(xiàn)階段在新型BOD 傳感器的研究上已經(jīng)有了一定的成果，但微生物的抗干擾能力、穩(wěn)定性、持久性、特異性仍是制約其投入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。微生物電化學(xué)傳感器仍有進(jìn)一步發(fā)展的空間：

（1）優(yōu)化微生物群落的組分及比例，創(chuàng)新微生物的固定方式，提高傳感器監(jiān)測(cè)多組分有機(jī)物廢水的準(zhǔn)確性和靈敏度，改進(jìn)換能器結(jié)構(gòu)，使微生物電化學(xué)BOD 傳感器更可靠。

（2）篩選培育具有電化學(xué)活性的功能菌，將酶?jìng)鞲衅骱图?xì)胞傳感器結(jié)合，提高傳感器監(jiān)測(cè)單一目標(biāo)組分的特異性?，F(xiàn)有的BOD 傳感器在監(jiān)測(cè)具體有機(jī)物方面仍較為薄弱，今后的研究仍需圍繞改善微生物的專一性、優(yōu)化酶與微生物的協(xié)調(diào)運(yùn)作開展。現(xiàn)有的空氣陰極MFC 一般需要進(jìn)行曝氣，運(yùn)行成本較大，因此篩選新型微生物，實(shí)現(xiàn)缺氧條件下的穩(wěn)定運(yùn)行也是未來(lái)的研究重點(diǎn)〔88〕。

（3）優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將傳感元件標(biāo)準(zhǔn)化，降低維護(hù)傳感器的復(fù)雜度。受微生物對(duì)環(huán)境選擇性及自身生長(zhǎng)周期的影響，現(xiàn)有的BOD 傳感器需定時(shí)維護(hù)，同時(shí)維護(hù)所消耗的時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本仍較高，因此開發(fā)便于維護(hù)的BOD 傳感器是今后研究的重點(diǎn)之一。

（4）開發(fā)更經(jīng)濟(jì)的膜、電極等傳感器元件以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，降低傳感器的研制和運(yùn)行成本，今后需圍繞解決昂貴的催化劑、降低反應(yīng)器成本和推廣3D 打印技術(shù)開展研究。