论文部分内容阅读
摘要 在低碳经济背景下，对环境管理工作提出更高要求，如何实现现场在线监测与分析，已成为环境监测的重点研究课题。随着传感技术的日益成熟，传统的化验式数据收集方法已经逐渐转变成人工智能方法，提高数据收集效率与质量水平，而生物传感技术的运用，也有效简化了发现环境污染、监督环境问题的过程，将成为今后环境监测的重要方向。
关键词 环境监测；生物传感；技术；应用
中图分类号 X17 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）102-0214-01
生物传感技术基于生物传感器而实现，通过较高的灵敏度，实时监测环境中各种污染物的浓度，同时具有体积小、检验过程方便等优势，可以支持原位在线监测方法，具有强大的应用价值与广阔的发展空间。以下将对生物传感技术在环境监测中的具体应用进行分析。
1 生物传感技术在废水水质监测中的应用
当前，废水水质的监测已成为污水处理厂普遍面临的难题，主要由于水环境中涉及到诸多的污染物，且成分较为复杂，其含量具有痕量特征，这就需要采取切实有效的提取、分离及富集、分析等方法，而如果实现所有过程的在线监测存在一定难度。随着生物传感技术投入使用，更好地支持在线监测废水生物处理过程，可实现自动监控。例如，在高级环境监测系统中，应用了生物传感器，可监测废水中含有的环境污染物，在细胞膜生物传感器中，其脂双层结构中包含了疏水区，针对被运输的物质具有良好的选择性能，那么细胞就可以通过环境主动获取相应物质，发挥良好的生理效应，并利用信号转换器实行测定。另外，为了更好地发挥生物传感器的应用性能，还可采取自动装置，提高生物传感器的重复检测水平与敏感度，尤其适用于地下水监测和工业废水处理过程的监测。
2 生物传感技术在多氯联苯和二恶英监测中的应用
多氯联苯作为常见的环境污染物之一，当前已经在化学工业广泛应用，尤其在变压器及电容器的电介质中成功应用。如果环境中含有高毒性的多氯联苯，必将对人们的身体健康造成威胁。当前，各种配置的生物传感器设计并投入使用，以此对环境中含有的多氯联苯进行测定，其中包括DNA生物传感器、带有电化学检测的生物传感器等。同时，二恶英也是氯类物质之一，在生产PVC材料、杀虫剂或者燃烧废物过程中都会产生二恶英，它作为一种致癌物，对人类健康造成极大威胁。在传统的二恶英分析工作中，涉及到较为繁琐的过程和高成本问题，如果采取免疫测定方法，则可较为方便地监测二恶英，同时SPR生物传感器既可以监测多氯联苯，也可以检验二恶英物质。
3 生物传感技术在酚类物质监测中的应用
在酚类化合物尤其是氯酚物质，对环境产生严重的污染。通过酶电极安培传感器在环境监测中的应用，具有干扰源少、检出限低等特征。近年来，通过漆酶、酪氨酸酶、过氧化物酶、苯酚羟化酶等作为生物敏感材料，在电化学传感器中成功应用。以酪氨酸酶为例，可以将单酚类的物质氧化并生成二酚，同时氧化为苯醌类物质。通过苯醌物质，可以通过电化学方法将电子吸收并还原成邻苯二酚。因此，对氧的消耗过程以及苯醌类物质的生成过程进行监测，也可以判断苯酚类物质的存在。例如，基于麦芽糊精修饰的酪氨酸酶碳糊电极生物传感器，可以较好地测定苯酚，同时也可对邻甲酚、氯苯酚等酚类物质产生响应。
另外，在测定酚的方法中，采用微生物膜电极生物传感器也是一种行之有效的方法，该传感器主要涉及微生物膜和极谱型氧电极两部分，如果酚和氧共同进入到微生物膜中，那么微生物就会对酚产生同化作用，进而产生耗氧量，进入到氧电极中的氧速率有所降低，输出的电流也逐渐减少。控制在一定酚浓度的范围内，电流的降低值和酚浓度表现为线性关系。
4 生物传感技术在BOD监测中的应用
对于评价水体中受到有机污染的程度来说，以生物需氧量（BOD）作为重要指标。同时BOD也可以对废水中的生化降解性、生化处理效果等进行评价。当前，主要以标准稀释作为BOD检测方法，但是该方法较为复杂，重现效果不理想，尤其在现场监测中不能较好应用。如果采用BOD生物传感技术，则可以在短时间内快速确定BOD含量，尤其在水质状况监测中，可支持在线应用。有关BOD生物传感技术的应用原理主要为：在不含有BOD的缓冲溶液中放置生物传感器，此时溶液可以保持恒温状态并受到氧的饱和作用。当传感器中输出稳态电流之后，即可加入样品，此时有机物就会扩散到生物传感器的生物膜中。由于微生物对有机物质产生代谢作用，会消耗一定的氧量，进而降低了传感器的输入电流。在较为适度的BOD物质浓度范围中，电流降低值和样品溶液中的BOD浓度为线性关系，并且BOD物质浓度也与BOD值具有定量关系，最终确定样品中含有的BOD值。
总之，在环境监测中运用生物传感技术，可极大提高分析效率，合理控制成本，对环境监测的诸多因素进行确定，同时也可支持自动化的在线监测和应急监测需求，将成为今后环境监测的必然发展方向，具有广泛的应用空间。
参考文献
[1]冯继光，王宝松.现代生物技术在环境监测领域的应用及展望[J].科技信息，2008，18.
[2]许钦军.环境监测中生物传感器的应用研究[J].中国科技博览，2010，30.
[3]汤琳.环境污染控制过程高灵敏生物传感技术研究及其检测体系构建[D].湖南大学：环境工程，2009.
[4]金静.微生物传感器在环境监测中的应用进展[J].价值工程，2010，22.
[5]殷大根，杜勇，刘晓霞等.生物传感器基于碳纳米管对环境监测的研究进展[J].材料开发与应用，2011，4.
作者简介
韩艳华（1981—），女，天津宝坻人，助理工程师，天津市宝坻区环境保护局。
关键词 环境监测；生物传感；技术；应用
中图分类号 X17 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）102-0214-01
生物传感技术基于生物传感器而实现，通过较高的灵敏度，实时监测环境中各种污染物的浓度，同时具有体积小、检验过程方便等优势，可以支持原位在线监测方法，具有强大的应用价值与广阔的发展空间。以下将对生物传感技术在环境监测中的具体应用进行分析。
1 生物传感技术在废水水质监测中的应用
当前，废水水质的监测已成为污水处理厂普遍面临的难题，主要由于水环境中涉及到诸多的污染物，且成分较为复杂，其含量具有痕量特征，这就需要采取切实有效的提取、分离及富集、分析等方法，而如果实现所有过程的在线监测存在一定难度。随着生物传感技术投入使用，更好地支持在线监测废水生物处理过程，可实现自动监控。例如，在高级环境监测系统中，应用了生物传感器，可监测废水中含有的环境污染物，在细胞膜生物传感器中，其脂双层结构中包含了疏水区，针对被运输的物质具有良好的选择性能，那么细胞就可以通过环境主动获取相应物质，发挥良好的生理效应，并利用信号转换器实行测定。另外，为了更好地发挥生物传感器的应用性能，还可采取自动装置，提高生物传感器的重复检测水平与敏感度，尤其适用于地下水监测和工业废水处理过程的监测。
2 生物传感技术在多氯联苯和二恶英监测中的应用
多氯联苯作为常见的环境污染物之一，当前已经在化学工业广泛应用，尤其在变压器及电容器的电介质中成功应用。如果环境中含有高毒性的多氯联苯，必将对人们的身体健康造成威胁。当前，各种配置的生物传感器设计并投入使用，以此对环境中含有的多氯联苯进行测定，其中包括DNA生物传感器、带有电化学检测的生物传感器等。同时，二恶英也是氯类物质之一，在生产PVC材料、杀虫剂或者燃烧废物过程中都会产生二恶英，它作为一种致癌物，对人类健康造成极大威胁。在传统的二恶英分析工作中，涉及到较为繁琐的过程和高成本问题，如果采取免疫测定方法，则可较为方便地监测二恶英，同时SPR生物传感器既可以监测多氯联苯，也可以检验二恶英物质。
3 生物传感技术在酚类物质监测中的应用
在酚类化合物尤其是氯酚物质，对环境产生严重的污染。通过酶电极安培传感器在环境监测中的应用，具有干扰源少、检出限低等特征。近年来，通过漆酶、酪氨酸酶、过氧化物酶、苯酚羟化酶等作为生物敏感材料，在电化学传感器中成功应用。以酪氨酸酶为例，可以将单酚类的物质氧化并生成二酚，同时氧化为苯醌类物质。通过苯醌物质，可以通过电化学方法将电子吸收并还原成邻苯二酚。因此，对氧的消耗过程以及苯醌类物质的生成过程进行监测，也可以判断苯酚类物质的存在。例如，基于麦芽糊精修饰的酪氨酸酶碳糊电极生物传感器，可以较好地测定苯酚，同时也可对邻甲酚、氯苯酚等酚类物质产生响应。
另外，在测定酚的方法中，采用微生物膜电极生物传感器也是一种行之有效的方法，该传感器主要涉及微生物膜和极谱型氧电极两部分，如果酚和氧共同进入到微生物膜中，那么微生物就会对酚产生同化作用，进而产生耗氧量，进入到氧电极中的氧速率有所降低，输出的电流也逐渐减少。控制在一定酚浓度的范围内，电流的降低值和酚浓度表现为线性关系。
4 生物传感技术在BOD监测中的应用
对于评价水体中受到有机污染的程度来说，以生物需氧量（BOD）作为重要指标。同时BOD也可以对废水中的生化降解性、生化处理效果等进行评价。当前，主要以标准稀释作为BOD检测方法，但是该方法较为复杂，重现效果不理想，尤其在现场监测中不能较好应用。如果采用BOD生物传感技术，则可以在短时间内快速确定BOD含量，尤其在水质状况监测中，可支持在线应用。有关BOD生物传感技术的应用原理主要为：在不含有BOD的缓冲溶液中放置生物传感器，此时溶液可以保持恒温状态并受到氧的饱和作用。当传感器中输出稳态电流之后，即可加入样品，此时有机物就会扩散到生物传感器的生物膜中。由于微生物对有机物质产生代谢作用，会消耗一定的氧量，进而降低了传感器的输入电流。在较为适度的BOD物质浓度范围中，电流降低值和样品溶液中的BOD浓度为线性关系，并且BOD物质浓度也与BOD值具有定量关系，最终确定样品中含有的BOD值。
总之，在环境监测中运用生物传感技术，可极大提高分析效率，合理控制成本，对环境监测的诸多因素进行确定，同时也可支持自动化的在线监测和应急监测需求，将成为今后环境监测的必然发展方向，具有广泛的应用空间。
参考文献
[1]冯继光，王宝松.现代生物技术在环境监测领域的应用及展望[J].科技信息，2008，18.
[2]许钦军.环境监测中生物传感器的应用研究[J].中国科技博览，2010，30.
[3]汤琳.环境污染控制过程高灵敏生物传感技术研究及其检测体系构建[D].湖南大学：环境工程，2009.
[4]金静.微生物传感器在环境监测中的应用进展[J].价值工程，2010，22.
[5]殷大根，杜勇，刘晓霞等.生物传感器基于碳纳米管对环境监测的研究进展[J].材料开发与应用，2011，4.
作者简介
韩艳华（1981—），女，天津宝坻人，助理工程师，天津市宝坻区环境保护局。