对于环境中重金属废水,通过生物电化学系统进行处理,在去除重金属离子的同时,还会产生氢气,甲烷等清洁能源,是一种很有发展前景的处理方法,主要是利用阳极的产电微生物,以污水中的污染物作为营养物质,通过自身的新陈代谢活动,产生电子并传递到阴极,重金属离子得到电子发生还原反应,从而得以去除。然而,对于目前,重金属离子监测的方法有很多,其中发展很好的是生物传感器,其原理是利用一种生物敏感元件,对于浓度变化,产生相应的电信号,进行检测的仪器,通过由固定化的生物敏感元件作为识别元件,还需要一种将这种电信号进行放大分析的理化转换器,来完成整个识别过程。本课题的研究,就是探索,生物电化学系统在去除重金属离子的同时,不需要任何理化转化器,通过产生的电信号,致力于生物传感器的监测应用。本实验,主要以单室的微生物燃料电池(SMFC)和单室的微生物电解池(SMEC),改变进水中重金属离子的浓度,通过一系列电化学数据的检测,来观察其对应电化学指标的变化趋势,解析作为生物传感器的标准曲线,在后面还会进行传感器的优化,具体内容如下:(1)第一部分先是通过两类反应器的启动驯化,在SMFC中,当反应器启动成功,电压维持在0.6 V左右,向系统中加入1 mg/L的含铜溶液进行驯化,在此过程中,测量一些电化学和物化数据,待反应器稳定运行后,改变进水中铜离子的浓度,来观察电化学数据的总体变化趋势;对于SMEC这部分,由于SMEC是完全厌氧状态,需要对反应器进行密封处理,而且SMEC是需要外加电源(0.3 V),处理的重金属离子是氧化还原电位相对较低的镍离子,在驯化阶段加入2 mg/L的含镍溶液,在此过程中,测量一些电化学和物化数据,待反应器稳定运行后,通过改变进水中镍离子的浓度,来观察电化学数据的总体变化趋势。(2)第二部分是对上面的电化学数据进行解析,得出R2值最大的解析曲线,作为传感器的标准曲线,用于定性定量的分析。在SMFC反应器中,通过改变Cu(Ⅱ)溶液的浓度,得出电化学方面的响应,分为电压、电流密度、功率密度、阳极电位、阴极电位,其中电压和浓度呈现线性的规律,其余的指标处于x2的规律;在SMEC反应器中,通过改变Ni(Ⅱ)溶液的浓度,得出电化学方面的响应,分为电压、电流密度、功率密度响应,大体的规律与SMFC类似。(3)最后一部分,就是对于传感器监测条件的优化以及阳极微生物群落结构的分析,其中SMFC传感器,进行参数的优化,其中包括COD、pH、缓冲溶液PBS等,得出最优的监测条件如下:进水COD=800~1100 mg/L,pH=6~6.5,R=800~1000Ω,PBS=100~120 mM。SMEC传感器也不例外,进行COD、pH等参数的优化,得出最优的监测条件如下:进水COD=800~1100 mg/L,pH=5.5~6,外接电压=0.4~0.5 V。无论是SMFC/SMEC反应器,通过对反应器阳极进行微生物群落结构的分析可以得出,阳极生物膜上在门纲目科属水平上的分类种类,以及其在各个分类上的优势菌群,其中属中以Geobacter为主,对于产生电子以及污染物的去除起到重要的作用。