将有机废水(植物和动物的可生物降解废物)排放到淡水水体中是一个重大的环境问题，影响这些水生生态系统的健康和可持续性。然而，目前可用于检测水质的方法复杂且成本高昂。
日本立命馆大学的研究人员最近开发了一种自供电、廉价的浮动生物传感器，用于监测淡水湖泊和河流输入处的水质。该研究于2023年11月1日发表在《生物化学工程杂志》上。
“我们开发了一种基于微生物燃料电池(MFC)的自供电、独立、浮动生物传感器，用于早期有机废水检测。MFC外壳由3D打印机制造，电极由低成本碳基材料制成材料”，领导这项研究的立命馆大学电气电子工程系科学与工程学院田口幸三教授说道。
MFC在产电细菌的帮助下发电。这些微生物由于其生物新陈代谢而产生电流。MFC产生的电量与产电微生物消耗的有机废物的浓度成正比。因此，这一特征被用来设计由MFC驱动的有机废物生物传感器。
日本研究小组使用廉价的碳基材料，开发了一种基于浮动MFC(FMFC)的自供电生物传感器，用于持续跟踪湖泊和河流中的有机污染水平。为了实现这一目标，他们在FMFC的阳极(发生氧化并释放电子的电极)中填充了含有产电细菌的土壤。阳极细菌随后分解水中存在的有机物，并将储存的化学能转化为电能。然后用电力输出来衡量受污染水中存在的有机废物。
尽管研究人员没有描述土壤样本中存在的细菌群落，但他们合理地假设，地杆菌属、希瓦氏菌属和假单胞菌属的微生物对电活动做出了贡献。先前的研究表明，稻田土壤天然含有属于这些属的产电细菌。
接下来，该团队在可漂浮的生物传感器组件中添加了一个发光二极管(LED)。LED能够利用产电细菌产生的电力，并直观地指示所调查的水样中的有机污染程度。当化学需氧量(COD)(用于测量水中有机污染物水平的参数)超过60毫克/升的阈值时，它开始闪烁。此外，当COD显着超过阈值时，LED闪烁的速度会加快。
田口教授补充道：“由于FMFC生物传感器可以自行发电，因此不需要外部电源。此外，它还可用于监测淡水体中有机废水流入的早期检测系统。”