樓敏捷

（浙江環(huán)境監(jiān)測工程有限公司 浙江杭州 310000）

環(huán)境監(jiān)測中生物傳感技術(shù)的運(yùn)用實(shí)踐微探

樓敏捷

（浙江環(huán)境監(jiān)測工程有限公司 浙江杭州 310000）

生物傳感技術(shù)是一種用生物傳感器檢測待測物質(zhì)的技術(shù)，其具有準(zhǔn)確度高、專業(yè)性強(qiáng)、操作簡單及分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到較為成熟的階段。在本文，筆者結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，淺析生物傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，以期提高檢測效率、降低檢測成本和保護(hù)環(huán)境免受二次污染。

生物傳感器；環(huán)境監(jiān)測；應(yīng)用

引言

作為生物傳感技術(shù)檢測物質(zhì)的重要工具，生物傳感器是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的檢測儀器，其工作原理如下：待測生物物質(zhì)擴(kuò)散至生物活性材料后，利用化學(xué)或物理換能器將生物學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來識(shí)別分子，然后再利用二次儀表進(jìn)行放大和輸出，便可測得生物物質(zhì)的實(shí)際濃度。在這一原理下，生物傳感器所用的催化劑為一種可重復(fù)使用的固定化生物敏感材料，因此試劑成本較低。生物傳感器是由電氣元件、機(jī)械元件、轉(zhuǎn)換元件和生物識(shí)別元件組成，其可用來監(jiān)測不同的環(huán)境污染物質(zhì)，且目前在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用已十分成熟。在本案，筆者分別討論生物傳感器在水環(huán)境、大氣環(huán)境和土壤環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 水環(huán)境監(jiān)測

水環(huán)境是圍繞人類空間及可間接或直接影響人類生活與生存的水體。在人類活動(dòng)頻繁化的背景下，水環(huán)境污染日益嚴(yán)重，頻發(fā)的水污染事件更是成了制約整個(gè)人類社會(huì)健康發(fā)展的瓶頸，比如2015年4月27日，宜昌長陽蒙特錳業(yè)排污至沿頭溪水體污染變黑。在這樣的背景下，運(yùn)用生物傳感技術(shù)來監(jiān)測水環(huán)境變得尤為重要。據(jù)此，筆者重點(diǎn)討論如何運(yùn)用生物傳感器來監(jiān)測水體中的生物耗氧量、酚類物質(zhì)。

1.1 監(jiān)測生物耗氧量（BOD）

BOD是檢測水體中有機(jī)污染物的重要指標(biāo)，其主要選用微生物傳感器來加以監(jiān)測，具體工作原理如下：以微生物的混合種群或單一菌種為BOD的微生物電極，通過監(jiān)測電極電流信號(hào)的強(qiáng)弱變化，并對(duì)其進(jìn)行輸出和放大來測定水體中BOD的確切含量。針對(duì)上述問題，李花子等人研發(fā)的BOD監(jiān)測儀以釀酒酵母為敏感材料，在溫度為25℃、介質(zhì)pH值為5及固定化酵母為15g的條件下，BOD測定僅耗時(shí)15min，且檢測結(jié)果具有重現(xiàn)性和穩(wěn)定性的特征，從此實(shí)現(xiàn)了直接測定BOD值＜200mg/L的海水；國外研究者將酵母菌種SPT1、SPT2分離固定于光玻碳電極上，用以測定BOD，其測量誤差在±10%左右，且在測定紙廠污水中的BOD時(shí)，檢出限達(dá)2mg/L及耗時(shí)僅為5min；Renneberg用聚氨基甲酰黃化水凝膠將某一耐鹽酵母菌固定，用以在線監(jiān)測海水中的BOD，其線性范圍為2.1～550mg/L，且具有極高的耐受性。綜上，BOD傳感器的檢測速度更快、更靈敏，值得推廣應(yīng)用。

1.2 監(jiān)測酚類物質(zhì)

酚類物質(zhì)是一種劇毒污染物，其在水環(huán)境中極為常見，因此應(yīng)加以嚴(yán)密監(jiān)測。在監(jiān)測酚類物質(zhì)中，生物傳感器的應(yīng)用如下：酶電極安培傳感器具有干擾少、檢出限低和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在監(jiān)測酚類污染物中的應(yīng)用十分普遍；穆東燕等人用酪氨酸酶碳糊電極組成電流生物傳感器，測得苯酚濃度為2.0×10-7～1.0×10-5mol/L時(shí)與電極電流存在線性關(guān)系，且響應(yīng)時(shí)間僅為2min，同時(shí)這一電極對(duì)鄰甲酚、鄰苯二酚等酚類物質(zhì)的響應(yīng)效果也十分理想，因此可將之用來監(jiān)測工業(yè)廢水中的酚類物質(zhì)；研究人員利用二相生物傳感系統(tǒng)來檢測有機(jī)介質(zhì)與水溶液中的酚，并采用競爭性流動(dòng)注射棉衣熒光分析法來測定其中的酚類污染物，比如4-硝基酚等；李天華等人用L-半胱胺卟啉銅修飾金電極，用以催化氧化苯酚，這一方法具有響應(yīng)速度快、線性范圍廣的優(yōu)點(diǎn)及其檢出限約為2.0×107mol/L，則可將之用來檢測地表水中的苯酚。

2 大氣環(huán)境監(jiān)測

大氣環(huán)境是生物賴以生存的空氣的生物學(xué)、化學(xué)和物理特性，其一旦遭到污染，便會(huì)引發(fā)一系列問題，從而危及整個(gè)生物圈的生存和發(fā)展。大氣環(huán)境的污染因子以 SO2、NOx、CO2和 TSP 等為主，其中 SO2、NOx會(huì)引起酸霧、酸雨，是大氣環(huán)境安全的最大威脅，同時(shí)NOx會(huì)引起光化學(xué)污染?？梢?，重視對(duì)大氣環(huán)境的監(jiān)測尤為重要，而生物傳感器可為之提供一種簡單、實(shí)用、有效的監(jiān)測方法。

2.1 監(jiān)測SO2

針對(duì)生物傳感器在SO2監(jiān)測中的應(yīng)用，馬莉等人先在醋酸纖維膜上固定好含亞硫酸鹽氧化酶中的肝微粒體后，再與氧電極組成安培生物傳感器，以分析由SO2產(chǎn)生的酸霧、酸雨樣品溶液，其中的肝微粒體在對(duì)亞硫酸鹽進(jìn)行氧化時(shí)，會(huì)消耗掉相應(yīng)的氧，從而使得氧電極四周的溶解氧濃度下降并引起電流改變，此時(shí)通過監(jiān)測電流變化，便可測得亞硫酸鹽的含量。上述監(jiān)測方法具有響應(yīng)速度快、測定結(jié)果的準(zhǔn)確度高和重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，即在10min左右便可測定穩(wěn)定結(jié)果及亞硫酸鹽在含量＜3.4×10-4mol/L的條件下與電流存在線性關(guān)系及其檢出限為0.6×10-4mol/L，注意類脂質(zhì)僅可在37℃的條件下使用，并保存2d及分析20次。Carballor等人制備的聚卟啉合鎳修飾玻碳電極可與流動(dòng)注射分析法聯(lián)用，用以快速測定SO2的含量，且其檢測限為0.15mg/L。

2.2 監(jiān)測NOx

目前，在NOx監(jiān)測中應(yīng)用的生物傳感器由氧電極、固定化硝化細(xì)菌和多孔氣體滲透膜組成。其中，硝化細(xì)菌是亞硝酸鹽的能量來源，在亞硝酸鹽的作用下，其呼吸活性會(huì)有所增加，同時(shí)可利用氧電極測定溶解氧含量在這一呼吸過程的下降量，進(jìn)而測定亞硝酸鹽含量，用以反映NOx的含量。這一傳感器的檢出限達(dá)0.01mol/L，且亞硝酸鹽在含量＜0.59mol/L的條件下與電流呈正相關(guān)，從而表現(xiàn)出較好的選擇性和較強(qiáng)的抗干擾能力。另外，Charlesp等人用氧電極、固定化硝化細(xì)菌和多孔滲透膜組成的微生物傳感器可用來測定亞硝酸鹽的含量，從而監(jiān)測測定大氣環(huán)境中的NOx的含量，其檢出限達(dá)1×10-8mol/L。

3 土壤環(huán)境監(jiān)測

土壤環(huán)境是巖石經(jīng)生物、化學(xué)、物理的風(fēng)化與侵蝕作用及氣候等因素的作用形成的土壤生態(tài)環(huán)境，其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下，正遭到嚴(yán)重污染。因此，應(yīng)重視對(duì)土壤環(huán)境的監(jiān)測，而生物傳感器的應(yīng)用在這一監(jiān)測過程中起到了十分重要的作用。例如：顧宗濂等人利用一株優(yōu)質(zhì)的桿菌來監(jiān)測土壤在受重金屬污染后的總生物毒性，同時(shí)研發(fā)了生物毒性測定儀；Roberto等人在GFP基礎(chǔ)上，采用基因轉(zhuǎn)錄的方式研發(fā)了細(xì)菌熒光素酶生物傳感器，用以測定砷酸鹽和亞砷酸鹽，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)砷污染環(huán)境的長期在線監(jiān)測，且具有檢測費(fèi)用低、效果好等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語

目前，生物傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮了重要的作用，且與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)相比，具有操作簡單、靈敏度高、選擇性強(qiáng)、檢測成本低、響應(yīng)速度快及支持現(xiàn)場或在線監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。在未來的發(fā)展中，為了滿足環(huán)境監(jiān)測的要求，生物傳感器的功能定由多功能方向發(fā)展，其中納米生物傳感器的集成和應(yīng)用將在提高檢測效率、靈敏度及簡化結(jié)構(gòu)上發(fā)揮重大的影響，從而為保護(hù)環(huán)境安全提供技術(shù)支持。

[1]向國立.淺談環(huán)境監(jiān)測的生物傳感技術(shù)[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2015（6）：100.

[2]林萬生.試論用于環(huán)境監(jiān)測的生物傳感技術(shù)[J].低碳世界，2015（5）：8～9.

[3]張弛.淺談環(huán)境監(jiān)測中的生物傳感技術(shù)應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013（9）.

[4]付虎.基于核酸電化學(xué)適體生物傳感器的研究進(jìn)展[J].國際檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志，2012，33（18）：2222～2224.

[5]張瑞霞，李莉，王宇，等.環(huán)境監(jiān)測工作中微生物傳感技術(shù)的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)（下半月），2014（15）：66～67.

[6]黃 蕓.微生物傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測工作中的應(yīng)用[J].地球，2014（1）：181.

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1004-7344（2016）17-0269-02

2016-5-20