引言

水污染问题日益严重，尤其是工业废水中的重金属污染，对环境和人类健康构成了巨大威胁。六价铬（Cr(VI)）作为一种常见的工业污染物，因其高毒性而备受关注。传统的检测方法虽然有效，但在灵敏度和实时性方面存在不足。本文将介绍一种新型的生物反应器系统，它结合了非分散红外（NDIR）CO₂传感器，实现了对水中六价铬毒性的快速、灵敏检测。这一创新技术不仅提高了检测效率，还为环境保护提供了有力支持。

正文

一、背景与意义

随着全球水资源的短缺和污染加剧，如何高效、准确地监测水中有害物质成为亟待解决的问题。六价铬作为一种强氧化剂，具有高度的毒性和致癌性，广泛存在于电镀、制革、化工等行业废水中。传统检测方法如原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）等，虽然精度高，但操作复杂且耗时较长。因此，开发一种快速、灵敏的检测方法显得尤为重要。

二、技术原理与系统设计

本研究开发了一种集成了NDIR CO₂传感器的生物反应器系统，用于实时监测微生物生长阶段并检测六价铬毒性。该系统的原理基于微生物代谢过程中产生的CO₂浓度变化。具体来说，通过在线监测微生物生成的CO₂，可以实时了解其生长状态和代谢活动，从而评估六价铬对其的抑制作用。

三、实验材料与方法

1. 材料准备

所有化学试剂均为分析纯，购自Merck或HiMedia公司。实验中使用的菌株ICTTOX1是从胡志明市食品公司污水处理厂采集的废水样品中分离得到的，经MALDI-TOF质谱仪鉴定为铜绿假单胞菌（Pseudomonas koreensis）。此外，还进行了16S rRNA基因测序以确认其分类地位。

2. 生长阶段与毒性检测

为了确定菌株ICTTOX1对六价铬的敏感性，研究人员通过实时监测CO₂生成量，绘制了不同生长阶段的生长曲线。结果表明，在对数早期（early-log phase），菌株表现出最高的敏感性，此时其保护机制尚未完全激活。实验还设置了平行的有毒和空白对照组，以提高检测结果的重现性和可靠性。

四、结果与讨论

1. 菌株ICTTOX1的鉴定

通过对菌株ICTTOX1的形态学观察、MALDI-TOF质谱分析以及16S rRNA基因序列比对，最终确认其为铜绿假单胞菌。研究表明，该菌株在对数早期对六价铬最为敏感，其半抑制浓度（IC₅₀）仅为0.16 mg/L，远低于其他已报道的方法。

2. 生长阶段对毒性敏感性的影响

不同生长阶段的菌株对六价铬的敏感性差异显著。对数早期的菌株由于代谢活跃但保护机制未完全建立，因此对六价铬的抑制作用更为敏感。而在稳定期和衰亡期，菌株的代谢活动减弱，抗逆性增强，导致其对六价铬的敏感性降低。

3. 存储稳定性与重复性

实验结果显示，对数早期的菌株ICTTOX1在4℃条件下存储24小时内仍能保持较高的敏感性，超过48小时后敏感性逐渐下降。此外，通过多次重复实验验证，该方法的变异系数（CV）最大为12%，符合美国食品药品监督管理局（FDA）关于生物分析方法验证的要求。

结论

综上所述，本研究成功开发了一种基于生物反应器与NDIR CO₂传感器的六价铬毒性检测系统。该系统具有实时性强、灵敏度高、操作简便等优点，能够在短时间内准确检测水中六价铬的含量。未来的研究将进一步优化系统性能，探索其在其他重金属污染物检测中的应用潜力，为环境保护提供更加有效的技术支持。

Fig. 1. （A）用于生长阶段观察和毒性测定的实验装置的示意图表示；（B）用于监测不同生长阶段（I：延迟期，II：早期对数期，III：中期对数期，IV：后期对数期，V：死亡期）的 CO₂ 曲线；以及（C）用于毒性测定的 CO₂ 曲线和积分面积。

Fig. 2. （A）菌株 ICTTOX1 培养过程中 CO₂ 生成量和 OD600 值的变化；（B）在空白反应器中，在五个 CO₂ 积累和冲洗循环期间，根据 CO₂ 生成速率测量的来自不同生长阶段的菌株 ICTTOX1 悬浮液的呼吸速率的变化。