第五章 微生物传感器资料

甲烷微生物传感器连续检测系统
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原理 含甲烷的气体流过有微生物的反应池时， 甲烷被微生物同化，微生物呼吸增强而消耗氧， 使得反应器中溶解氧的浓度降低。当微生物的 耗氧量与从样品向微生物扩散的氧量之间达到 平衡时，电流下降会达到稳定，稳态电流的大 小取决于甲烷的浓度。 参比电极所在反应池中不含微生物，氧含 量及电流不变，所以两电流之间的最大差值与 气体中甲烷含量有关。
■
电流型微生物传感器
微生物敏感膜与待测物发生反应后， 通过输出电流信号的变化来检测某一物质 含量的变化。 常用的信号转换器件有氧电极、过氧 化氢电极。
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（1）甲烷微生物传感器
甲烷与空气可以形成爆炸性混合物， 空气中甲烷含量在5-14％之间具有爆炸性； 另外，甲烷的生产过程是一个发酵过程， 控制发酵过程也需要测定各发酵阶段的甲 烷含量。
碳源 CO2
有机物 CO2
有机物
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根据微生物反应对氧的要求将微生物 分为： 需氧型微生物，如枯草杆菌、青霉菌、 假单胞菌等 厌氧型微生物，如丙酮丁醇梭菌、巴氏 菌、破伤风菌等
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二、微生物的生长与控制
根据微生 物的生长速率， 可分为四个主 要生长期： ● 停滞期 ● 对数期 ● 恒定期 ● 衰亡期
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微生物要进行各种代谢以维持生命活
动，就必须从周围环境中吸收适当的物质，
这些物质称为营养物质。营养物质是微生
物新陈代谢和一切生命活动的物质基础。
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二、微生物的营养类型
根据微生物所利用碳源、能源的不同， 可分为四种基本营养类型： 光能自养型 光能异养型 化能自养型 化能异养型



1．光能自养型（光能无机营养型）
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(2)生物燃料电池的特点
原料来源广泛； 操作条件温和； 资源利用率高，无污染。

(3)生物燃料电池的应用前景
作为新能源； 改善汽车的燃料结构； 为可植入人体的设备提供能量。

6.其他类型微生物传感器 (1) 酶—微生物混合型传感器
敏感材料由酶和微生物混合构成，这 样可使敏感膜的性能更加完善。
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（3）BOD微生物传感器
BOD（生化需氧量Biochemical oxygen demand ）的测定是监测水体被有机物污染 状况的最常用指标。 常规的BOD测定法操作复杂、重复性 差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测。
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BOD（生化需氧量）微生物传感器结构示意图
BOD微生物传感器的电流响应
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三、微生物的代谢
微生物从周围环境中摄取营养物质， 并通过酶的作用，在体内进行一系列的生 物分解和生物合成反应，以保持正常的生 长和繁殖，这一过程称为微生物的代谢。 包括分解代谢和合成代谢。
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1.微生物的分解代谢（异化作用） 微生物从周围环境中吸取营养，通过
一系列酶促作用进行分解，并释放能量称
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微生物传感器类型
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呼吸机能型微生物传感器
以需氧型微生物作为生物活性物质， 它在与有机底物作用的同时，细胞的呼吸 活性提高，耗氧量增大，通过电极测定呼
吸活性变化而转变的扩散电流值从而间接
测定有机物浓度。
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呼吸机能型微生物传感器
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代谢机能型微生物传感器 以厌氧型微生物作为生物活性物质， 它的原理是微生物分解有机物，产生各
f Kf m / A
2 0
2
0 0
f 02 m / A
5.燃料电池型微生物传感器
有机分子被氧化时能释放一定能量，称 为“燃料”，使燃料的化学能转变为电能的
原电池装置称为燃料电池。
如果在电池中发生的反应由生物所催化，
这种装置便称为生物燃料电池（bio-fuel
cells）。
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燃料电池型微生物传感器信号产生机理
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测量系统的组成 原理：甲烷电极所用微生物是甲烷 氧化细菌（鞭毛甲基单胞菌）。从天然 物质中提取并在一定的培养环境中生长 的甲烷氧化细菌，通过氧化甲烷而生长， 甲烷是它的主要碳源和能源。
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甲烷微生物传感器系统示意图
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1,10-真空泵； 2-气体样品袋； 3-气体管道； 4-过滤膜； 5-可控反应器；6-甲烷-微生物反应器；7-氧电极；8-放大器 9-记录仪；11,12,13,14,15,16,17-玻璃阀
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部分电位型微生物传感器
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2. 光微生物传感器 原理：有些微生物具有光合作用能力，
在光照作用下能将待测物转变成电极敏感物
质或其本身能释放氧，将这类微生物固定化
并与氧电极、氢电极等结合即制得光微生物
传感器。
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3. 热敏电阻微生物传感器
4.压电微生物传感器
压电石英晶体谐振频率变化量与晶体表面均匀 沉积的极薄层刚性物质质量之间成正比，即
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（1）谷氨酸微生物传感器
是一种酸性氨基酸。 在生物体内的蛋白质代谢 过程中占重要地位，参与 动物、植物和微生物中的 许多重要化学反应。
谷氨酸
谷氨酸钠
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大肠杆菌具有谷氨酸脱羧酶，与CO2电 极组成微生物传感器测定谷氨酸的含量。
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（2）尿素微生物传感器
用谷氨酸棒状杆菌作为酶源，可以制 备尿素传感器。 根据电极电位响应便可对尿素含量进 行测定。
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5.2 微生物敏感膜的制备技术
微生物固定化的要求： ●固定化过程的反应条件和所用化学试 剂对活细胞无害； ●固定化过程适宜在无菌条件下操作； ●固定后的菌稳定性要好。
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微生物固定化方法常用夹心法和包埋法。
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5.3 微生物传感器的类型
微生物传感器从工作原理上可分为 两种类型:
● ●
呼吸机能型微生物传感器 代谢机能型微生物传感器
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(NH 2 ) 2 CO+H 2 O 2NH 3 +CO 2
脲酶
硝化菌 2NH3+3O2 3HNO2+H2O
肌酸酐水解酶 肌酸酐 H 2O 肌酸 脒基肌酸水解酶 肌酸 H 2O 肌氨酸 脲 肌氨酸氧化酶 肌氨酸 H 2O O2 甘氨酸 +HCHO H 2O2
第五章
微生物传感器
Microbiological sensor
微生物传感器是生物传感器的重要分支。
1975年，Divies制成了第一支微生物传感器;
1977年，研制出检测精氨酸的微生物电极；
1979年，研制出检测谷氨酰胺的组织传感器。
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微生物传感器的优点：
●
微生物中含有多种酶，对于需要多种酶的 稳定性好，使用寿命长； 响应迟钝时，放入培养基使活性恢复；
生物。
大多数微生物属于这种营养类型。
分为： 腐生菌：利用无生命的有机物(如动植物尸体
和残体)作为营养物质。
寄生菌：只能在活寄主体吸收营养物生活的。
兼性寄生菌：既营寄生又营腐生生活的。
(结核杆菌)
小结： （1）微生物营养划分主要依据：碳源和能源。 （2）营养划分具有相对性，如红螺菌 。
能源 光能自养 光能异养 化能自养 化能异养 光能 光能 无机物 有机物
反应，微生物传感器提供了方便；
● ●
●
有些酶至今无法分离，可用含有该酶的细
克服酶价格昂贵、提取困难以及不稳定的
菌组成传感器；
●
缺点。
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微生物传感器的缺点：
由于含有多种酶，使选择性和灵敏度受到 限制； 底物需要通过细胞壁扩散，响应时间长。
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5.1 微生物的特征
一、微生物的营养要素
水、碳源、氮源、能源、生长因子、 无机盐。
生物。
产甲烷细菌
化能自养微生物不含细菌叶绿素，不能 利用日光的能量，但可在无机物的培养基中 生长。 不同的化能自养微生物在氧化各自所需 的无机物时获得能量。 如：硫化细菌 H2S S H2SO4 硝化细菌 NH3 HNO2 HNO3 产甲烷菌 H2
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4. 化能异养型（化能有机营养型）
以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧 化过程中产生的能量作为能源而生长的一类微
为分解代谢。把自己变成非己。 包括：碳水化合物的分解 脂肪和脂肪酸的分解 蛋白质的分解
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2.微生物的合成代谢（同化作用）
微生物把从周围环境中获取的营养物 质变成自身的组成物质，并且储存能量。 简单地说就是把非己变成自己。
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合成代谢主要包括： 氨基酸的合成、 蛋白质的合成、 核苷酸的合成、RNA的合成、DNA的合成。 分解代谢和合成代谢是生物体内不 可分割的两个方面，两个过程共同维持 微生物的生命。
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(2)致癌物微生物传感器
利用枯草杆菌的DNA修复机构缺损菌 株（ Re c - ）和野生菌株（Re c + ）两种细菌， 分别固定在两个氧电极上，并将两个氧电极 的电信号输入差分电路，即构成检验致癌物 质的传感器系统。
Fra Baidu bibliotek
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1Re c + ；2Re c - ； 3-过滤器； 4-聚四氟乙烯膜； 5-铂阴极； 6-铅阳极； 7-记录仪； Ⅰ，Ⅱ-为含DNA修复机构缺损株和野生株的枯草杆菌
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(1) 生物燃料电池的原理
有机物作为燃料在阳极室中被微生物氧化，产生的 电子传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而 形成回路产生电流。其阳极和阴极反应式如下所示： 阳极反应： (CH2O)n＋nH2O 阴极反应： 4e-＋O2＋4H+ 2H2O nCO2＋4ne-＋4nH+
部分燃料电池型微生物传感器
种代谢生成物，如NH3，CO2，有机酸，
可用相应的离子选择性电极测得代谢物 浓度，进而测定底物浓度。
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代谢机能型微生物传感器
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微生物传感器按照信号转换器的不同 分为：
●
电化学微生物传感器
●
光微生物传感器
压电微生物传感器 燃料电池型微生物传感器等
● 热敏电阻型微生物传感器 ● ●
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1.电化学微生物传感器
(2) 嗜热菌传感器
又称高温细菌、嗜热微 生物。 生活在高温环境中，如 火山口、温泉、工厂高 温废水排放区。
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用嗜热菌作为敏感材料，可在较高 温度下使用，同时具有抗酸、碱能力，可 克服常温菌不耐酸、碱和高温的不足。
2．光能异养型（光能有机营养型）
以有机碳化合物作为碳源和供氢体，以光为 能源进行光合作用而生长繁殖的微生物。
CH3
光能 细菌叶绿
CO2+2CHOH CH3
CH2O+2CH3COCH3+H2O
(红螺菌)
3. 化能自养型（化能无机营养型）
以 CO2 作为主要碳源，利用无机化合物 （如铵、亚硝酸盐、硫化氢、铁离子等）氧 化时释放的能量作为能源进行生长的一类微
原理 将传感器放在缓冲液中，微生物处于内 源呼吸状态，当氧的扩散作用于内源呼吸的 耗氧量达到平衡时，传感器输出恒定的电流。 将传感器放在待测样品中，微生物由内 源呼吸变为外源呼吸，耗氧量增大，扩散到 氧电极的氧降低，输出电流降低，电流的下 降值与有机物的浓度呈一定的线性关系。
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商业化BOD微生物传感器
测定变异原的微生物传感器系统
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原理 两个氧电极同时放入待测溶液中，若溶 Re c 液中含有致癌物质，则 内的DNA将受到 损伤而死亡，氧电极由于停止呼吸而不再消 耗氧，氧电流增加。 但Re c +内的DNA虽受到短暂损伤却能自 动进行修复，因此呼吸反应继续进行而不断 消耗氧，使电流保持初始时的水平，差分电 路显示出的电流差值表示被测物质是致癌可 疑物质。
以 CO2 为主要碳源，以无机物（如 H2、 H2S、 H2O 等）作为供氢体，通过光合作用 获取生长所需的能量。 光能自养微生物借细菌叶绿素的光合作
用吸收日光的能量。
念珠蓝细菌
H2O＋CO2
光
叶绿素
(CH2O)+O2↑（蓝细菌）
2H2S+CO2
光 菌绿素
(CH2O)+H2O+2S（绿硫细菌和紫硫细菌）
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硝化菌(Nitrosomonas.sp)可利用氨 作为唯一的能源，在反应中消耗氧，即 2NH3+3O2 3HNO2+H2O
氨的浓度可以通过检测附着在氧电 极上的固定化微生物的呼吸量来测定。
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电位型微生物传感器 电位型微生物传感器以电位型电极作 为信号转换器，输出的信号是电位。 常用的转换器件有：pH电极、氨气 敏电极、二氧化碳电极等，各种电位型传 感器的电位值与被测离子活度之间的关系 符合能斯特方程。
目前利用的微生物有假单胞菌、活性 淤泥菌、丝孢酵母菌、枯草芽孢杆菌。
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（4）甲醇和乙醇微生物传感器
用固定化的甲 醇细菌或丝孢 菌母与氧电极 组成。
甲醇
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（5）醋酸微生物传感器
用固定化的丝孢菌母 与氧电极组成。
醋酸
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（6）葡萄糖微生物传感器

用固定化的假单 孢菌与氧电极组 合而成。
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（7）氨微生物传感器 氨的测定在医疗、环境及工业领域 的检验中都很重要。用氨气敏电极测定 必须在强碱（pH>11)条件下进行，有些 挥发性化合物如胺会干扰测定。 由固定化硝化菌、聚四氟乙烯透气 膜和氧电极组成的微生物电极可用于氨 的测定。