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未经处理的工业废水中含有大量重金属污染物，这些污染物排放到水体中，会破坏生态环境，威胁人类健康。因此，监测重金属污染的排放十分重要。传统的重金属污染监测技术依赖定期或不定期的人工采样，不仅耗时费力，而且容易导致对污染事件的发现滞后，不能及时处理。因此亟需一种能够原位在线监测湿地重金属污染的技术。本研究使用了一种我们自主研发的新型沉积物燃料电池(sediment microbial fuel cell, SMFC)传感器(命名为DH-1型SMFC传感器)，其电压信号能够原位在线响应水体重金属污染。但该传感器电压信号响应重金属的机理是什么？能否监测多次重金属污染？传感器在野外条件下长期运行和监测的效果如何？目前尚不明确。为此，本论文开展了以下三方面的研究：
(1)DH-1型SMFC传感器产电信号响应镉污染的机制。本研究将DH-1型SMFC传感器的阳极插入水稻土中，阴极位于上覆水中。向阴极上方上覆水中添加5mL不同浓度的CdCl2溶液来模拟湿地重金属镉污染，其中Cd2+浓度分别为5、10、20、40、80、160和240mgL-1，并在线记录传感器的电压数据。使用电化学阻抗法测定阴极电荷传递电阻。传感器运行结束后，采集阳极附近土壤，提取土壤DNA和RNA，对土壤中的地杆菌科(Geobacteraceae)和梭菌属(Clostridium)细菌16SrRNA基因和16SrRNA分别进行定量分析。实验结果显示：向上覆水中添加Cd2+污染后电压迅速升高到达峰值，之后回落至稳定状态。电压增量与加入的Cd2+浓度存在显著的线性正相关关系。Cd2+溶液呈酸性，带来大量H+，促进了阴极反应，而且加入Cd2+溶液后降低了阴极电荷传递电阻，表明Cd2+溶液能促进阴极反应，提高电路中外阻两端电压；而Cd2+溶液加入到上覆水中之后，离子逐渐扩散和被土壤吸附，对阴极反应的影响迅速消失，引起电压从峰值回落至基线。水稻土中地杆菌科和梭菌属16SrRNA基因和16SrRNA丰度均未出现随着Cd2+浓度增加而降低的趋势，表明Cd2+污染没有抑制阳极土壤中产电细菌的活性，所以电压能够从峰值回落后保持稳定产电。
(2)DH-1型SMFC传感器电压信号对连续多次镉污染的响应研究。本研究考察了DH-1型SMFC传感器在湿地环境中连续运行27天，并监测53次Cd2+污染的电压信号。向阴极铂网上方上覆水中分别加入Cd2+浓度为25、50、100和200mgL-1的CdCl2溶液，向对照中加入等体积的去离子水，每天分别在早上9点和晚上7点添加CdCl2溶液，连续添加27天，总共向每个传感器中添加相同Cd2+浓度的CdCl2溶液53次。添加污染结束后，将阳极附近土壤分为三层(0-3 cm，3-6 cm，6-9 cm)，采集每层土壤。一部分土样用来提取土壤DNA，再对土壤中的地杆菌科(Geobacteraceae)和梭菌属(Clostridium)细菌16SrRNA基因进行定量分析，剩余的土样用于测定土壤中不同形态镉的浓度。实验结果显示：电压曲线随着温度的变化呈现昼夜波动的特征，每次加入Cd2+污染，传感器电压均迅速升高，之后回落至稳定状态。在相同Cd2+浓度处理下，加入Cd2+污染引起的电压增量具有较好的一致性，且电压增量随着Cd2+浓度的增加而增加。每层土壤中的地杆菌科和梭菌属16SrRNA基因丰度并没有随着加入的Cd2+污染浓度的增加而减少，表明Cd2+污染并没有影响土壤中产电细菌的数量。这主要有以下两方面的原因：首先，我们通过测定土壤中不同形态镉的含量发现，在表层(0-3 cm)土壤中，镉主要以毒性较低的残渣态和有机结合态的形式存在，表明大多数镉被土壤吸附。而毒性较高的可交换态镉在表层土壤中的含量却较低，因此Cd2+污染基本没有抑制和毒害表层土壤中的产电细菌，而更深层土壤中的产电细菌受到Cd2+污染抑制和毒害的程度更小；其次，地杆菌科和梭菌属的细菌都是属于铁还原细菌，它们对于重金属污染的耐受能力较强。另外，中层(3-6 cm)和下层(6-9 cm)土壤中地杆菌科和梭菌属16SrRNA基因丰度比表层(0-3 cm)土壤高约一个数量级，表明即使表层土壤吸附了大量的镉而对表层土壤中产电细菌造成毒害，也不会对传感器的产电电压造成显著不利的影响。
(3)野外条件下DH-1型SMFC传感器长期监测重金属铜污染的可靠性研究。本研究考察了DH-1型SMFC传感器在室外环境下连续运行长达8个月连续监测多次Cu2+污染的电压信号。本研究将水稻土装入PE桶并淹水放置于室外来模拟野外湿地环境。选择四个温度中的晴天和雨天，向每个传感器的阴极上覆水中依次按照Cu2+浓度从高到低(Cu2+浓度分别为400、300、200、100、50、25和12.5mgL-1)的顺序添加CuSO4溶液，最后以不加Cu2+的自来水作为对照，一共添加八次Cu2+污染(4个温度×2个天气)。在传感器运行结束后，将土壤分为三层(0-3 cm，3-6 cm，6-11 cm)，采集每层土样。一部分土样用来提取土壤DNA和RNA，再对土壤细菌16SrRNA基因和16SrRNA进行定量和测序分析，剩余的土样用于检测土壤中不同形态铜的浓度。实验结果显示：每次加入不同浓度的Cu2+溶液，传感器电压均瞬间升高，之后回落至稳定，并且电压增量随着Cu2+浓度的降低而降低。温度和降雨会导致电压基线产生波动，但是这并不影响判断加入Cu2+污染引起的响应峰。长期运行该传感器未对土壤理化性质造成显著影响。由于表层土壤吸附了大量的Cu2+，从而表层土壤中产电细菌数量和活性受到了Cu2+的抑制，但是更深层土壤中的产电细菌并未受到铜的抑制和毒害。试验结果表明，该传感器能够在野外环境下长期稳定运行，并且其电压信号可以用来监测多次Cu2+污染。
(1)DH-1型SMFC传感器产电信号响应镉污染的机制。本研究将DH-1型SMFC传感器的阳极插入水稻土中，阴极位于上覆水中。向阴极上方上覆水中添加5mL不同浓度的CdCl2溶液来模拟湿地重金属镉污染，其中Cd2+浓度分别为5、10、20、40、80、160和240mgL-1，并在线记录传感器的电压数据。使用电化学阻抗法测定阴极电荷传递电阻。传感器运行结束后，采集阳极附近土壤，提取土壤DNA和RNA，对土壤中的地杆菌科(Geobacteraceae)和梭菌属(Clostridium)细菌16SrRNA基因和16SrRNA分别进行定量分析。实验结果显示：向上覆水中添加Cd2+污染后电压迅速升高到达峰值，之后回落至稳定状态。电压增量与加入的Cd2+浓度存在显著的线性正相关关系。Cd2+溶液呈酸性，带来大量H+，促进了阴极反应，而且加入Cd2+溶液后降低了阴极电荷传递电阻，表明Cd2+溶液能促进阴极反应，提高电路中外阻两端电压；而Cd2+溶液加入到上覆水中之后，离子逐渐扩散和被土壤吸附，对阴极反应的影响迅速消失，引起电压从峰值回落至基线。水稻土中地杆菌科和梭菌属16SrRNA基因和16SrRNA丰度均未出现随着Cd2+浓度增加而降低的趋势，表明Cd2+污染没有抑制阳极土壤中产电细菌的活性，所以电压能够从峰值回落后保持稳定产电。
(2)DH-1型SMFC传感器电压信号对连续多次镉污染的响应研究。本研究考察了DH-1型SMFC传感器在湿地环境中连续运行27天，并监测53次Cd2+污染的电压信号。向阴极铂网上方上覆水中分别加入Cd2+浓度为25、50、100和200mgL-1的CdCl2溶液，向对照中加入等体积的去离子水，每天分别在早上9点和晚上7点添加CdCl2溶液，连续添加27天，总共向每个传感器中添加相同Cd2+浓度的CdCl2溶液53次。添加污染结束后，将阳极附近土壤分为三层(0-3 cm，3-6 cm，6-9 cm)，采集每层土壤。一部分土样用来提取土壤DNA，再对土壤中的地杆菌科(Geobacteraceae)和梭菌属(Clostridium)细菌16SrRNA基因进行定量分析，剩余的土样用于测定土壤中不同形态镉的浓度。实验结果显示：电压曲线随着温度的变化呈现昼夜波动的特征，每次加入Cd2+污染，传感器电压均迅速升高，之后回落至稳定状态。在相同Cd2+浓度处理下，加入Cd2+污染引起的电压增量具有较好的一致性，且电压增量随着Cd2+浓度的增加而增加。每层土壤中的地杆菌科和梭菌属16SrRNA基因丰度并没有随着加入的Cd2+污染浓度的增加而减少，表明Cd2+污染并没有影响土壤中产电细菌的数量。这主要有以下两方面的原因：首先，我们通过测定土壤中不同形态镉的含量发现，在表层(0-3 cm)土壤中，镉主要以毒性较低的残渣态和有机结合态的形式存在，表明大多数镉被土壤吸附。而毒性较高的可交换态镉在表层土壤中的含量却较低，因此Cd2+污染基本没有抑制和毒害表层土壤中的产电细菌，而更深层土壤中的产电细菌受到Cd2+污染抑制和毒害的程度更小；其次，地杆菌科和梭菌属的细菌都是属于铁还原细菌，它们对于重金属污染的耐受能力较强。另外，中层(3-6 cm)和下层(6-9 cm)土壤中地杆菌科和梭菌属16SrRNA基因丰度比表层(0-3 cm)土壤高约一个数量级，表明即使表层土壤吸附了大量的镉而对表层土壤中产电细菌造成毒害，也不会对传感器的产电电压造成显著不利的影响。
(3)野外条件下DH-1型SMFC传感器长期监测重金属铜污染的可靠性研究。本研究考察了DH-1型SMFC传感器在室外环境下连续运行长达8个月连续监测多次Cu2+污染的电压信号。本研究将水稻土装入PE桶并淹水放置于室外来模拟野外湿地环境。选择四个温度中的晴天和雨天，向每个传感器的阴极上覆水中依次按照Cu2+浓度从高到低(Cu2+浓度分别为400、300、200、100、50、25和12.5mgL-1)的顺序添加CuSO4溶液，最后以不加Cu2+的自来水作为对照，一共添加八次Cu2+污染(4个温度×2个天气)。在传感器运行结束后，将土壤分为三层(0-3 cm，3-6 cm，6-11 cm)，采集每层土样。一部分土样用来提取土壤DNA和RNA，再对土壤细菌16SrRNA基因和16SrRNA进行定量和测序分析，剩余的土样用于检测土壤中不同形态铜的浓度。实验结果显示：每次加入不同浓度的Cu2+溶液，传感器电压均瞬间升高，之后回落至稳定，并且电压增量随着Cu2+浓度的降低而降低。温度和降雨会导致电压基线产生波动，但是这并不影响判断加入Cu2+污染引起的响应峰。长期运行该传感器未对土壤理化性质造成显著影响。由于表层土壤吸附了大量的Cu2+，从而表层土壤中产电细菌数量和活性受到了Cu2+的抑制，但是更深层土壤中的产电细菌并未受到铜的抑制和毒害。试验结果表明，该传感器能够在野外环境下长期稳定运行，并且其电压信号可以用来监测多次Cu2+污染。