郭 林，陳樟森，閆家寧，張莉莉

（1.浙江求實(shí)環(huán)境監(jiān)測有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省輕工業(yè)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，浙江 杭州 310000；3.浙江質(zhì)環(huán)檢測技術(shù)研究有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

近些年，基因、細(xì)胞、酶等方面的生物技術(shù)發(fā)展逐漸滲透到人們的生產(chǎn)生活中。生物技術(shù)是以生命科學(xué)作為研究的基礎(chǔ)，并且結(jié)合其他的基礎(chǔ)科學(xué)，使用當(dāng)前最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，來滿足人類的需求。因此，在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中也積極采用了生物技術(shù)。由此對生態(tài)環(huán)境和自然中的生物進(jìn)行全面的了解并針對性地研究。

1 幾種主要的生物技術(shù)

1.1 生物芯片技術(shù)

在玻璃片、塑料片、硅片等介質(zhì)上放上生物樣品就可以作為一個生物芯片，再通過特定儀器的對其分析就可以得出所檢查物質(zhì)中不同成分的種類。這需要在使用之前利用微電子技術(shù)對所需要的物質(zhì)進(jìn)行加工，從而獲得出可固相介質(zhì)。在實(shí)際使用之前，需要相關(guān)技術(shù)人員針對實(shí)際情況使用不同型號和大小的探針制備不同的蛋白質(zhì)芯片或者其他芯片。在實(shí)際使用過程中，選擇合適的芯片對特定環(huán)境中的污染情況進(jìn)行測量，并且還能有效地提高檢測的準(zhǔn)確性。而且生物芯片技術(shù)的使用的是當(dāng)前先進(jìn)的智能化技術(shù)，通過其電腦設(shè)備的分析，可以大大的提高其工作效率。

1.2 PCR 技術(shù)

PCR 技術(shù)的理論是源于克隆技術(shù)，其主要運(yùn)用的原理就是鏈?zhǔn)教匦跃酆厦阜磻?yīng)的原理。它主要是利用特異性的DNA 片段能夠在機(jī)體外合成的特性，來將機(jī)體內(nèi)的某一段基因片段進(jìn)行延展，從而實(shí)現(xiàn)檢測環(huán)境中的細(xì)菌或者是病毒的作用。在使用的過程中需要將母鏈DNA 作為模板（圖1），經(jīng)過變性、退火、延伸等實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)現(xiàn)復(fù)刻的目的。PCR 技術(shù)的使用讓人們可以更加準(zhǔn)確的檢測環(huán)境中的有害生物、特異性種群以及基因工程菌種進(jìn)行有效地追蹤，從而讓人們能夠更加準(zhǔn)確的分析環(huán)境中的病菌類型。而且PCR 技術(shù)的使用，也在一定程度上促進(jìn)了DNA 突變分析能力上的發(fā)展。

圖1 PCR 反應(yīng)過程

1.3 生物酶技術(shù)

生物酶技術(shù)主要分為兩種，一種是生物酶抑制技術(shù)，另一種是酶免疫測定技術(shù)。生物酶移植技術(shù)是利用污染物會抑制特定的酶的原理，通過對特定酶數(shù)量的多少來分析污染物的含量。在實(shí)際操作過程中，會針對特定酶的種類加入專用的顯色劑，根據(jù)顯示出來的特定酶的多少來判斷這個環(huán)境之中，某種污染物是否存在以及其存在多少。酶免疫技術(shù)則是利用抗原會與抗體發(fā)生特異的反應(yīng)的原理，使用酶來標(biāo)記其中一個，從而測定另一種物質(zhì)是否存在，以及其存在的多少從而分析出此環(huán)境中污染物存在與否，以及其存在的數(shù)量。這兩種技術(shù)通常會根據(jù)環(huán)境的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

1.4 生物傳感技術(shù)

生物傳感技術(shù)主要是利用生物與生物組織間會相互作用的實(shí)際情況，將比較難以檢測的測試對象轉(zhuǎn)換為比較好識別的電子信號。在測試的過程中，通過電子元件來識別和分析測試對象與生物組相互作用時產(chǎn)生的電子信號，從而控制檢測過程中的檢測對象。這一技術(shù)是在計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的過程中，受到計算機(jī)技術(shù)的影響和促進(jìn)，使生物技術(shù)和電子技術(shù)建立了連接，將生物反應(yīng)轉(zhuǎn)變成電信號，也可以將電信號轉(zhuǎn)變成生物反應(yīng)，從而有效地控制檢測對象。生物傳感器技術(shù)在使用的時候具備高度集成性，能夠更加自動化地完成檢測的工作。

2 應(yīng)用在環(huán)境檢測系統(tǒng)中的情況

2.1 生物芯片技術(shù)辨別致病菌種

生物芯片技術(shù)中包括了計算機(jī)科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等多種學(xué)術(shù)專業(yè)的新興技術(shù)。在生物芯片技術(shù)的使用過程中需要將大量的生物樣本有序地固化在支持物的表面，讓其與需要監(jiān)測的生物樣品進(jìn)行反應(yīng)，然后再通過特定的儀器分析其反應(yīng)的程度。這種方法沒有任何污染還簡單快捷，是眾多需要進(jìn)行大批量環(huán)境樣品檢測時的首選方式。

在環(huán)境檢測過程中，主要利用生物芯片技術(shù)對檢測環(huán)境中病原細(xì)菌的數(shù)量、分布密度、生物種類等多種影響環(huán)境的因素進(jìn)行調(diào)查和管理。目前生物芯片在環(huán)境檢測工作的中使用十分的廣泛，比如：羅德島大學(xué)中的研究人員將此技術(shù)與光纖金屬進(jìn)行了結(jié)合，通過將光纖的末端與檢測物質(zhì)保持接觸的方式，來對環(huán)境中的沙門氏菌等病菌進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測；一家法國的水管理企業(yè)開發(fā)了一種能夠?qū)崟r監(jiān)測公共飲用水中的微生物數(shù)量和種類變化情況的生物芯片；Anthony 等研究人員使用DNA 芯片創(chuàng)建了一個能夠監(jiān)測對象中細(xì)菌種類和密度的細(xì)菌檢定系統(tǒng)等。

在環(huán)境檢測系統(tǒng)中，主要利用生物芯片技術(shù)對實(shí)驗(yàn)樣本中細(xì)胞基因組的分析，并且對DNA 的多態(tài)性變化以及其突變的過程進(jìn)行準(zhǔn)確的篩選，從而對環(huán)境中污染情況進(jìn)行有效地分析。通過科學(xué)的計算和分析，從而確定環(huán)境污染情況記憶在環(huán)境污染情況下生物基因水平是否變化，以及其變化的程度，從而保證對環(huán)境監(jiān)測的科學(xué)性。并且在生物芯片技術(shù)快速發(fā)展的背景下，其在環(huán)境檢測過程中的重要性也越來越高，逐漸成為重要的研究課題。

2.2 PCR 技術(shù)檢測病菌

水體中的病原體想要真的達(dá)到治病的程度，是需要一定的劑量的積累的，而且不同微生物所需要的積累的量也不同。只有將水體中病原體的實(shí)際數(shù)量和種類進(jìn)行全面的了解才能真正的解決水污染的問題，因此就需要相關(guān)檢測人員加強(qiáng)對于水體中病原體污染的程度的監(jiān)測。在傳統(tǒng)的檢測過程中，大都采用對污染物中的微生物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的方式來研究微生物群落，但是在飲用水樣品中，只有微乎其微的微生物能夠使用此種方式，因此PCR 技術(shù)就被推到了檢測病菌工作的前沿。

PCR 技術(shù)的種類各種各樣，但是其主要的原理還是采用PCR 技術(shù)獲得的母體的片段來監(jiān)測環(huán)境中的微生物。PCR 的作用有很多，比如：檢查飲用水中的大腸桿菌、在基因工程中制備目標(biāo)片段、制備DNA 探針；分析生物多態(tài)性等等。PCR 技術(shù)在環(huán)境檢測系統(tǒng)中，主要是利用其能夠復(fù)制基因的原理，增加足夠的聚合酶來讓基因片段大量的復(fù)制，從而實(shí)現(xiàn)病菌情況監(jiān)測的目的。PCR 技術(shù)在環(huán)境檢測過程中，能夠?qū)鹘y(tǒng)的分離培養(yǎng)替換了下去，對具有毒害特性的病菌進(jìn)行更加精準(zhǔn)的檢測，從而提高了環(huán)境監(jiān)測部門過程中的實(shí)際效果。而且對于水體樣本，還能夠檢測出其中殘存的病原，增加了環(huán)境檢測的檢測范圍。對于樣本中濃度不高的檢測目標(biāo)，PCR 技術(shù)也可快速的檢測出來，增加了環(huán)境檢測的精準(zhǔn)度。對于一些水體中存在的各種各樣的桿菌，PCR 技術(shù)也能夠高效地檢測出來，從而提高了環(huán)境檢測的可靠性。由此可見，PCR 技術(shù)與傳統(tǒng)的檢測方式相比，其具有更高的準(zhǔn)確性，更可靠的實(shí)用性，更廣泛的檢測范圍。

2.3 生物酶技術(shù)辨別污染情況

生物酶技術(shù)已經(jīng)是環(huán)保組織必備的檢測技術(shù)，而且它含有生物酶抑制和生物酶免疫的兩種方式也給環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供了更加有效地污染情況分辨能力。生物酶抑制技術(shù)主要使用在某一區(qū)段是否已經(jīng)被中毒的污染，利用其對生物酶進(jìn)行顯色的方式，來推測這一區(qū)段內(nèi)污染的情況。其在使用的過程中，不光會判斷微生物對環(huán)境的污染也可以判斷重金屬對于環(huán)境的污染。在土壤污染檢測中，利用重金屬也會對酶產(chǎn)生干擾的實(shí)際情況，就可以借助讓酶顯色的方式來辨別土壤中殘存的重金屬的種類，以及重金屬存在的密度。而且隨著生物酶技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前開發(fā)制備酶的技術(shù)也越來越成熟，能夠有效地減少酶的制作成本。而且生物酶抑制技術(shù)還能夠?qū)z測數(shù)據(jù)中的誤差進(jìn)一步縮小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確敏捷的檢測方式。

生物酶免疫技術(shù)將生物和免疫融匯起來，并且創(chuàng)建了一個新的領(lǐng)域。生物酶免疫技術(shù)主要是通過對抗體和抗原之間彼此干擾情況的分析，并且利用其特有的特性進(jìn)行環(huán)境檢測。首先將污染物設(shè)定成抗原，然后提取會干擾抗原的必須具備的抗體。在動物的機(jī)體之外，抗原和抗體之間也會彼此發(fā)生反應(yīng)。在此階段設(shè)定一個示蹤物，就可以展現(xiàn)出其反應(yīng)時的狀態(tài)。再將光學(xué)測定技術(shù)與其進(jìn)行有效地配合，從而確定出最為準(zhǔn)確的檢測數(shù)值。通過此種方法，就可以將環(huán)境監(jiān)測的效果進(jìn)行有效地提高。當(dāng)前在我國，已經(jīng)創(chuàng)新建設(shè)了顯色酶片，以及讓酶顯色所必需的新的標(biāo)識。這種標(biāo)識更方便攜帶，還能夠更加快速地檢測出殘存的污染物質(zhì)。

2.4 生物傳感技術(shù)鑒別信號與污染物

生物傳感器是通過科學(xué)手段，將難以分辨的生物手段用電信號來代替，從而提高人們的可見性，以此檢測環(huán)境中的污染物質(zhì)，如圖2 所示。在生物傳感技術(shù)使用的過程中，需要利用固定細(xì)胞核和固定化酶的方式進(jìn)行工作，通過預(yù)先設(shè)定好的識別元件來辨識生物反應(yīng)過程中的全部特點(diǎn)，找出生物反應(yīng)的關(guān)鍵流程。之后就可以將生物反應(yīng)替換成更加容易辨別和分析的電信號。傳感器可以對生物組分進(jìn)行高效的分辨識別，還能夠?qū)δ骋粎^(qū)段的環(huán)境進(jìn)行識別，通過將其難以辨別的生物反應(yīng)替換成可以測定的信號的方式來檢測環(huán)境情況，這也是傳感器具有的最為獨(dú)特的機(jī)理。

圖2 生物傳感器

生物傳感器借助生物分子將目標(biāo)準(zhǔn)確的分辨選擇，篩選出最為合適的目標(biāo)。再通過物理反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)來將生物分子的反應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而將更加好辨別的信號進(jìn)行輸出。再利用專業(yè)的檢測機(jī)器進(jìn)行分析，從而得出更加科學(xué)有效的結(jié)果。在環(huán)境檢測系統(tǒng)中，可以使用生物傳感器來檢測水體中存在的農(nóng)藥、重金屬、二氧化硫等污染物。而且傳感器在物理和化學(xué)范圍中使用還可以對信號和污染物質(zhì)進(jìn)行有層次的鑒定分辨，還能夠分辨周圍環(huán)境中其他的干擾因素。而且傳感器在不同領(lǐng)域中進(jìn)行有效的融合改善也可以讓檢測的結(jié)果更加的真實(shí)、有效、準(zhǔn)確。進(jìn)而促進(jìn)各個領(lǐng)域的發(fā)展。比如當(dāng)前的人臉識別系統(tǒng)中生物傳感器技術(shù)的使用就將支付的技術(shù)提高到了一個新的層次。而且除了支付之外，人臉識別技術(shù)在安全防范、人員管理、人口普查等多個方面都起到了很好的效果。

3 生物技術(shù)使用的發(fā)展趨勢

生物技術(shù)的使用不光可以使用在環(huán)境檢測工作中，其也可以廣泛地使用在各個領(lǐng)域中。首先在工業(yè)方面，其可以對視頻中的添加物進(jìn)行有效地檢測，從而提高視頻生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。還能夠使用生物技術(shù)解決當(dāng)前食品種類中缺少蛋白質(zhì)的問題。在材料方面，生物技術(shù)可以變廢為寶，比如利用生物技術(shù)提取出甲殼生物的甲殼素，利用甲殼素能夠加快傷口愈合的優(yōu)勢，將其制作成縫合線。利用生物技術(shù)分析出蜘蛛絲蛋白質(zhì)能夠高強(qiáng)度和高塑造性的原因，并且將其使用在軍事防彈衣的制作中，提高軍事防護(hù)的安全性。從環(huán)保角度來說，可以通過利用微生物能夠產(chǎn)生可降解材料的特點(diǎn)，通過采用生物技術(shù)對其進(jìn)行檢測，從而制造出可生物降解的塑料，從而降低“白色污染”。與此同時還可以利用生物技術(shù)來提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，培養(yǎng)出更加具有抗病毒、抗旱、抗?jié)车确矫孀陨淼挚沽?qiáng)的生物種類。

4 結(jié)語

綜上所述，生物技術(shù)在環(huán)境檢測系統(tǒng)中的使用能夠全方位的方面地提高環(huán)境監(jiān)測的工作質(zhì)量。其能夠?qū)υ斐森h(huán)境污染的污染物的種類、含量、濃度等重要因素進(jìn)行更加科學(xué)準(zhǔn)確的分析。利用生物技術(shù)的分析，環(huán)境檢測人員能夠更加有針對性地解決生態(tài)環(huán)境中的問題，提高整體環(huán)境保護(hù)工作的效率，促進(jìn)生態(tài)平衡。