非稳态响应的生物传感器测定废水中的需氧量[外文翻译].doc

1、 1 本科毕业论文外文翻译 译文： 非稳态响应的生物传感器测定废水中的需氧量 来源： J. Environ. Monit., 2011,13:95-100 Siiri Velling,* Alexey Mashirin, Karin Hellat and Toomas Tenno 摘要 ： 有一类生物传感器已经构建完成 ,它能够迅速、有效地估计生化需氧量（ BOD），并研究非稳定状态下的输出信号。所引用的这类 模型在曲线重构和曲线拟合方面表现良好，它反映了 响应参数之间的关系 ,有机底物浓度和生化需氧量的关系。研究者 可以根据不同 厚度的固定矩阵的特点，来确定其生物传感在非平稳条件下测量的适用

2、性，还可以对 BOD 的 生物传感器的机械耐久性的测定。生物传感器输出的非稳态响应拟合开发模式，从而确定传感器的输出稳定性和依赖生物降解的有机底物浓度。 生物传感器 经过研究， 校准范围是每升 15-110毫克生化需氧量。重复性试验表明，相对标准偏差为参数（ RSD)的 值为 2.8 和 5.8%为参数 d。表示了在时间上瞬态输出电流型氧传感器 , s 分别描述了关于有机底物浓度依赖的生物传感器 BOD 的的瞬态响应有机底物浓度。通过 生物传感器实验 ,人们能够对生化需氧量进行评 估，可以与传统 BOD7分析方法共同作用于易降解的市政污水。 1 引言 可生物降解的有机物质造成环境污染的分析测定

3、通常是通过测定生化需氧量（ BOD）完成的。一般需要经过 5 至 7 天的潜伏期，才得到准确的 BOD 测试结果，但是，在无效的有机废水中可生物降解的污染物浓度可以快速测定。在现实中，废水的生化需氧量超过限定值，是长期排放到环境之前得到的测试结果。 BOD 生物传感器可以在很短的时间内完成生化需氧量负荷的测定，定义独立的集成装置能提供具体的定量分析信息使用的生物识别元素 1。除了重要的能快速响应时间这 个有点外，还具有其他实用的优点，比如便携性和易于处理。 有几项研究，随着评论出版物，已经被集中在性质不同的生化需氧量生物传感器上， 他们之中的呼吸活动作为一种生化需氧量 ，带氧传感器的检测 2-

4、12。纯培养，其中 酵母菌 13,14，假单胞菌 15，枯草芽孢杆菌 16，粘质沙雷氏菌 17，假单胞菌丁香 18， 毛孢子菌 19， 20。和两个微生物菌的混合物（芽孢杆菌和地衣芽2 孢杆菌 7B） 21已作为生物传感器的 BOD 生化识别元件。对于一个可生物降解各种各样有机化合物的样品检测，对微生物的生化需氧 量混合财团内固定膜生物传感器，并在一个氧传感器的膜已被开发 22-24。对生化需氧量生物传感器杀死细胞并克服了微生物细胞膜生物污染的研究和混合文化为基础的生物传感器的长期稳定性问题 25-27但对活细胞的优势，如短响应和恢复时间，迅速进行相关的动态测量和输出信号进行模拟。有关生物传感

5、器 BOD 的若干建设方面已经深入研究，但较少受到人们的重视更深刻的分析和输出信号的模拟。有迹象表明，利用稳定之间的初始值和最终值的 BOD 生物传感器输出的几项研究数据差异，用于分析目的和稳态输出 28-29。这种数据分析方法涉 及相对简单的数据处理程序，但需要的信号接近最终稳定值的时间相对较长。 此外，很少注意到关于生物需氧量测定的非稳态或瞬态相位确定的生物传感器。 用 非稳态响应的方法该传感器反映比较快，但需要较高频率的信号登记和更复杂的数据处理。首先，该传感器的反应是由一个模拟偏微分方程解析解并描述了在单一或多个转换酶膜基质 30。由于这种方法并不适用于复杂生物催化计划生物传感器和非稳

6、态的解决办法复杂，输出信号的数字模型的开发。从那时起，一些非线性反应扩散系统和酶促反应米氏动力学建模研究已经开展 31-37。 本次研 究的目的是描述一个微生物传感器模型，这模型具有测定废水中BOD 的功能。使用测量的方法是根据曲线拟合程序，这个测量方法的价值在于提供良好的生活指标和 BOD 的生物传感器重建，提供了可生物降解的有机物质的样本含量估计。 2 实验 2.1 微生物固定化和建设的 BOD 生物传感器 混合培养的微生物从城市污水处理厂的活性污泥中分离 (废水厂，塔尔图，爱沙尼亚 ) ，将 废水在实验室里放置两周。微生物进行离心，然后固定在 2 的琼脂糖特定厚度的聚合物上。对于琼脂糖凝

7、胶层的不同厚度的准备，上述方法应用于聚合物网没有合适的厚度 增加的微生物。 38 固定化后，一个 5 天的适应期是必要的，直到一个适当的 BOD 生物传感器的稳定和底物明智的输出信号实现。 BOD 的生物传感器测量，微生物膜，然后紧紧贴在了克拉克型氧传感器膜顶部，一个特殊的持有者（滤水厂， CellOx325，德国）。微生物膜的直径 (15.3mm) 相当于持有人底部直径和充分覆盖膜的氧传感3 器。 重复结果与生化需氧量传感器（ 160 生化需氧量在整个测量），至少经过 35天才能获得。 2.2 分析 BOD7 生化需氧量和生物传感器 所有 BOD7 进行分析，根据美国公共卫生协会标准方 法

8、40化学需氧量的测试由兰格 COD 测试博士（试管试验 LCK114，布鲁诺博士兰格有限公司， usseldorf，德国）。对于构建的生化需氧量传感器的标定，经合组织综合废水准备根据经合组织的准则 41。每一天，在测量的 BOD 生物传感器之前，进行 COD 的测试是为验证校准溶液。此外， BOD7 每个解决方案进行了测试和计算 BOD7/COD 比率是进一步集中计算的基础，作为 BOD7 七天后可用。各种不同的样品由 1-3.5的 BOD7/COD 平均比值。 生化需氧量生物传感器进行测量，在固定温度 (25 ) 磷酸盐缓 冲液中连续下与空气中的氧曝气和搅拌。适量的底物溶液中加入适量的 10

9、0 毫升空气饱和的磷酸盐缓冲在最初的 BOD 生物传感器输出信号稳定之后。下一次实验之前， BOD的生物传感器的记录已被删除，并返回到夹套烧杯包含一个新鲜的磷酸盐缓冲液分装量。 所有数据都利用内部软件的时间间隔，记录氧气浓度在单位时间 1 秒内，输出信号的 BOD 生物传感器读数。实验数据根据拟议计划的起源 6.0 方程（软件公司，北安普顿，美国）进行了处理规范化与非线性回归分析。 2.3 废水样本 废水样品采自爱沙尼亚 3 个不同的城市污水处理厂。其中一个样本因食 物油排入城市污水处理厂，导致成份非常复杂的。根据上述的方法将所有样品处理，并分析 COD和 BOD7。样本之间的实验分析和 BO

10、D生物传感，标本保存于 4-5 。生物传感器校准的生化需氧量的面前表演的测量一直是污水样品用于验证结果和生化需氧量生物传感器 ,以确保我们的工作达到最佳工艺条件。 3 研究了 BOD 的非稳态响应生物传感器 3.1 模拟的输出信号的 BOD 生物传感器 这个输出电流的安培传感器，可作为氧气浓度的变化登记，似乎只要改变氧浓度就会对阴极的传感器产生变化。对溶液的测量，解散的指示电极对氧的传质，可以通过数 层不同性质的溶解物质扩散。在一个稳定的系统状态，与氧气流量对4 阴极和外部氧浓度成正比关系。在非稳态条件下，反应和滞后的传感单元时间取决于扩散阻力，主要是由于额外的生物传感器的微生物膜，包括活动抑

11、制物质。据贝内德克（ 1970）的氧传感器的响应模型研究，这一过程以及期间的一个过渡过程氧浓度测量氧浓度的变化固有的滞后，可以作为指数关系变化。此外，埃斯提出 :非稳态响应时间依赖可以作为描述指数求和这可能是最佳的选择描述活动抑制基质复杂的系统，扩散底物和异构动力学内的反应。 在本次研究中，对有机基质大幅度增加除了具有良好 的激动氧饱和测量解决方案之外，需氧量微生物固定化氧气的扩散阻力，在实际系统的响应导致反应的滞后期，其次是在氧气浓度对膜的氧传感器的变化。后者，在真实设备的输出信号衰减，可以被描述为一个指数函数。基于上述研究 42，一个数学模型描述与氧浓度的 BOD 生物传感器的瞬态变化的响

12、应一直以来开发 延迟时间 。因此，在氧气浓度单位标准化输出信号检测到衰变（二氧化碳，规范），在反应的最终稳定状态输出二氧化碳，无穷大到零，以及检测系统滞后的时间，表示为时间 t 的函数。 其中参数 S 是时间的指数过程，在测量过程中响应的氧气浓度 变化不会对微生物膜微生物呼吸作用造成变化； d 是指数时间常数的特点，这表明了此时安培的氧传感器输出信号发生了变化；二氧化碳，初始二氧化碳，二氧化碳规范是在氧浓度单位的 BOD 生物传感器的输出，在实验测量时的读数，分别在初始稳态条件和标准化的形式下测定。 根据该模型， BOD 的生物传感器响应的特点是：在对指数的变化的条件下进行求和的形式。为了更详

13、细地描述了该模型的参数， s 依赖于氧的传质和界面的面积，指示生物传感器输出有机底物浓度不变的条件下呈指数衰减的依赖；5 d 取决于氧传感器的扩散参数，膜的厚度和氧气扩散系数。 d 评价生化需氧量的生物传感器，输出的信号作为其服务寿命稳定性的参数，有一定的价值。总之，这些参数（式（ 1）的特点由滞后的时间和生化需氧量传感器输出曲线衰减的内部流程。 图 1 实验数据与 BOD 的模型反应数据拟合效果对照 式 （ 1） 基于曲线拟合的结果，得到具有不同有机底物浓度测量的标准化实验的所有数据。该建模方法使高品质的曲线拟合，其中的例子是上图所示。其相关非线性系数的 BOD 生物传感器在不同底物浓度反应

14、曲线拟合，并从 0.98 以上的 BOD 生物传感器的模拟结果对实验数据的偏 差，对皮尔逊的卡方检定，测试的特点低于 0.0005。 3.2 氧传感器的输出与琼脂糖凝胶层的不同厚度的研究 在这项研究中，初步测试不同厚度的琼脂糖凝胶膜，以评估这个响应分析的BOD 传感器建模方法的适用性，找出传感器建设的最佳条件。首先，氧传感器的稳定输出信号在空气中饱和的蒸馏水以后，该装置已大幅转移到同一环境和溶解氧含量衰变是在无氧条件下恒温的环境登记。 6 图 2 BOD 随着时间的增加对碳的吸附量 相同的实验计划是用来研究非稳态的氧传感器与不同厚度的琼脂糖紧紧附着膜反应的顶部。一个在非稳态响应相当 大的变化该

15、装置已发现（图 2）。显然，额外的琼脂糖层改变 BOD 测定系统的非稳态响应其厚度比例（ 0.15-0.8 毫米）。为了描述上述的影响额外的氧传感器准反应膜，参数 s 被认为是 0，从式 （ 1）推出的公式如下： 其中参数 d 是指数时间的氧传感器的瞬态响应不断和琼脂糖凝胶膜，接近传感器的外膜。 根据以上所述的实验方法，描述的 matrixd 在 t 时刻对氧传感器的曲线的衰变过程中值为 3.5 s，结果有 2-5 的偏差。 研究琼脂糖膜的稳定性与时间的关系， matrixd 值可以计算用于 BOD 生物传感器的膜。实验结果显示 ：重复性好的 matrixd 参数值依赖于琼脂糖膜的厚度，同时表

16、 明 使用网与固定化材料适合于生化需氧量生物传感器建设 （见表 1）。 固7 定化微生物的试验表明 :0.15和 0.3毫米膜厚度处于较低的机械稳定性，需要定期测量。在非稳态条件下，检测出灵敏度高的厚度在 0.8毫米。 对于进一步的 BOD生物传感器研究中， 0.5毫米厚的微生物膜被选中。 图 3 BOD7的校准标定图表 1 用不同厚 度 的 琼脂糖凝胶层 处理氧传感器的 matrixd 参数8 参考文献 1. D. R. Thevenot, K. Toth, R. A. Durst and G. S. Wilson, Anal. LettJ.2001, 34, 635659. 2. J. L

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