论文部分内容阅读
摘要：随着日益严重的环境污染现象，环境监测部门面临着严峻的挑战。而生物监测是利用生命有机体对污染物的种种反应来测定环境所受污染的程度。 本文根据笔者多年從事环境监测工作的经验，对生物监测技术的发展进行阐述，供同行借鉴参考。
关键词：环境监测；生物监测；技术发展
中图分类号：F303.2
一、生物传感器（Biomakers）
生物传感器是一种特殊的化学传感器。它是生物传感元件特异性的使用和分析装置的信号转导与分析物浓度的组合比例。不像其他的传感器是生物传感器是基于生物成分的主要功能成分，从生物敏感材料，是生物技术与微电子技术相结合的产物。近年来，生物传感器应用环境监测也较为普遍。
（一）工作原理
生物传感器的主要工作原理是：酶、抗体、核酸等生物组分与待测对象发生相互作用，通过电子组分将待测对象检出并转化为可测量的电子信号。
（二）种类
生物传感器根据分子识别元件上所用的敏感物质可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器、免疫传感器和DNA传感器等。
（三）在环境监测中的应用实例
生物传感器在环境监测中应用较广，现仅举几个有代表性的例子。
（1）BOD生物传感器
属于微生物传感器。BOD生物传感器以微生物的单一菌种或混合菌群作为BOD微生物电极。由于水中BOD物质的加入或降解代谢的发生，导致水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转化，藕连电流强弱信号的改变，在一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线形关系。用于制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽孢杆菌、嗜热菌以及混合微生物种群，未来的BOD生物传感器可能使用半导体装置，使传感器小型化并一次性使用。有研究人员分离了2种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD，其重复性在 以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定，其测量最小值可达 ，所用时间为5 min。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作，并且其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法。
（2）酚类生物传感器
属于酶传感器。检测酚类化合物时，电极表面的酶分子被氢（当酶是酚氧化酶如酪氨酸酶、漆酶时）或过氧化氢（当酶是过氧化氢酶）氧化，接着被酚类化合物重新还原，酚类主要转化为苯醌或酚自由基，这些产物通常具有电化学活性，能在相对于饱和甘汞电极（SCE）0V以下的电位还原，还原电流与溶液中酚类化合物的浓度成正比。这种传感器能检测复杂的环境样品，准确度高，检测限可低于 的水平。
（3）生物传感器用于检测有毒有害物质
生物传感器还可以用于检测某一类有毒有害污染物，如杀虫剂、除草剂、重金属等。用于检测杀虫剂的常用酶是乙酰胆碱酯酶，将固定化乙酰胆碱酯制成的生物传感器放入含有杀虫剂的试样中就可以测量出酶活性的抑制程度。
研究发现用戊二醛将适合检测金属离子的氧化酶固定在膜的表面，然后将膜放置在溶解氧传感器上做探头，可以用来测定重金属离子的浓度如Hg2+和Ag+。以用丙酮酸氧化酶制成的生物传感器为例，当溶液中HgCl2的浓度为 或者AgNO3的浓度为 时，响应基线会降低50% （酶活性降低50% ）。当这种酶生物传感器的酶失活时，可以用 的EDTA进行清洗再生，从而实现这种传感器的重复使用。
二、生物芯片（Bioships）
生物芯片是一种通过微加工技术和微电子技术将生物探针分子（寡聚核苷酸、cDNA、基因组DNA、多肽、抗原、抗体等）固定在硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质表面而构建的微型生物化学分析系统，可以对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分进行准确、快速和大信息量的检测。
在环境监测和环境保护上，可以利用生物芯片快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害。在环境监测方面的应用主要有：水质控制、检测药物、食物添加剂或化学物质毒性以及环境中有害细菌的监测。利用生物芯片技术能够同时快速地检测多种环境中的常见致病菌。靳连群（2003）等[13]建立一种采用基因芯片技术对环境中常见致病菌检测和鉴定的实验方法，他们使用先合成后点样的方法把自行设计合成的一系列寡聚核苷酸探针固定在醛基化修饰的显微镜载玻片上，制成用于致病菌检测的基因芯片。用这样的方法对从实际样品中分离的细菌进行检测，准确率达96. 2%。
三、生物免疫检验（Biology ImmunoTest）
生物免疫检验是利用特定的生抗原或抗体反应，检验分析环境物质的生物毒性。该方法具有灵敏、特异、快捷、实用和经济等优点，而被广泛应用于环境污染物的监控。其中以酶联免疫吸附法试验应用较广。
酶联免疫吸附法（Enzyme Linked Immuno SorbentAssay，ELISA）的基础是抗原或抗体的固相化及酶标记，结合在固相载体表面的抗原或抗体仍保持其免疫学活性，酶标记的抗原或抗体既保留其免疫学活性，又保留酶的活性。在测定时，受检标本与固相载体表面的抗原或抗体起反应，通过洗涤使固相载体上形成的抗原抗体复合物与液体中的其他物质分开，再加入酶标记的抗原或抗体，也通过反应而结合在固相载体上，此时固相上的酶量与标本中受检物质的量呈一定的比例。加入酶反应的底物后，底物被酶催化成有色产物，产物的量与标本中受检物质的量直接相关，故可根据呈色的深浅进行定性或定量分析。由于酶的催化效率很高，间接地放大了免疫反应的结果，使测定方法达到很高的灵敏度。
ELISA可以用来检测环境中的微生物、毒素、残留农药等，具有灵敏度高、简单实用等特点。李方实（2003）等[1]建立了测定水中异丙隆的酶联免疫吸附法，作为异丙隆抗血清和酶标物的半抗原（?和?）的活性都很高。灵敏度为 ，最低检出限为 ，常用的16种取代脲类除草剂的交叉反应率低于2. 2%，不干扰测定，水样可不经过分离提取直接测定。 四、污染物的致癌致畸致突变性监测
由于大量污染物对人体具有潜在的危害，近年来生物的/三致（致癌致畸致突变性）0监测技术得到了很快的发展，如微核技术。微核技术（micronucleus technology）又称MCN方法，是一种染色体损伤的快速生物检测方法。1980年，Degressi和Rizzoni建立了蚕豆次生根尖微核试验系统。1982年，美国西伊利诺斯大学Te-HsiuMa教授利用美国紫露草（Tradescantia Padudosa）为测试材料，建立了利用植物微核监测环境污染的新方法。目前，利用紫露草、蚕豆根尖、紫竹梅等监测海水、淡水、工业污水，建立了不同的测试系统，提供了相关可靠的数据。蚕豆次生根尖微核技术是一种以染色体断裂及纺锤体损伤为测试终点的植物微核监测检测方法。由于断裂后的染色体不具着丝点，到细胞分裂末期，断片流失在细胞质中成为微核。实验证明，环境诱变因子的强弱与诱发的微核率成正比，因此可以用微核大小来表示诱变因子的强弱。利用微核技术监测水质污染有以下优点：灵敏度高，可靠性强，精确度高；技术简单，易于操作，实用性强。
五、单细胞凝胶电泳（SCGE）
单细胞凝胶电泳（SCGE或SCE， Single CellGelEle-trophoresisasay）是在细胞水平上检测核酸损伤的方法。埋在琼脂糖凝胶中的细胞在中性或碱性条件下电泳，DNA解螺旋切碱变性为单链，若细胞DNA受损有遇碱不稳定位点和单链断裂则会出现分子量较小的DNA片段。在电场中，带负电的核酸片断向阳极移动，荧光下可观察到受损伤的核酸形成形似夜空中的彗星图象，故也称为彗星实验。该实验对检测低浓度遗传毒物具有很高的灵敏性，它比微核试验更有益，因为环境中的遗传毒物浓度一般很低，而彗星试验检测低浓度遗传毒物具有高度灵敏性，所研究的细胞不需要处于有丝分裂期。同时，这种技术只需要少量细胞，被广泛应用于DNA损伤、生物监测、遺传毒理等领域的研究。
目前它已经被用于检测哺乳动物、蚯蚓、一些高等植物、鱼类、两栖动物以及海洋无脊椎动物的细胞。
六、结束语
随着科学技术的不断发展，环境监测技术也在向更精细、更准确、更灵敏的方向发展。本文所述环境监测技术各有各的优点和不足，只有对它们作进一步深入的研究，完善优点，弥补缺点，根据各个地区的实际情况和研究实力，把它们联合应用，才能最大限度地发挥每一种监测方法的作用，为环境监测提供强有力的技术支持。同时，生物技术在环境监测领域中日趋重要的地位和作用，充分说明拓宽学科的研究领域，加强学科间的交流、渗透和合作，对于科学的整体发展和进步是至关重要的。
参考文献：
[1]李方实，Kraemer P， Kettrup A.酶联免疫吸附法测定水中异丙隆[J].环境科学学报， 2003， 23（3）： 382-385.
关键词：环境监测；生物监测；技术发展
中图分类号：F303.2
一、生物传感器（Biomakers）
生物传感器是一种特殊的化学传感器。它是生物传感元件特异性的使用和分析装置的信号转导与分析物浓度的组合比例。不像其他的传感器是生物传感器是基于生物成分的主要功能成分，从生物敏感材料，是生物技术与微电子技术相结合的产物。近年来，生物传感器应用环境监测也较为普遍。
（一）工作原理
生物传感器的主要工作原理是：酶、抗体、核酸等生物组分与待测对象发生相互作用，通过电子组分将待测对象检出并转化为可测量的电子信号。
（二）种类
生物传感器根据分子识别元件上所用的敏感物质可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器、免疫传感器和DNA传感器等。
（三）在环境监测中的应用实例
生物传感器在环境监测中应用较广，现仅举几个有代表性的例子。
（1）BOD生物传感器
属于微生物传感器。BOD生物传感器以微生物的单一菌种或混合菌群作为BOD微生物电极。由于水中BOD物质的加入或降解代谢的发生，导致水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转化，藕连电流强弱信号的改变，在一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线形关系。用于制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽孢杆菌、嗜热菌以及混合微生物种群，未来的BOD生物传感器可能使用半导体装置，使传感器小型化并一次性使用。有研究人员分离了2种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD，其重复性在 以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定，其测量最小值可达 ，所用时间为5 min。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作，并且其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法。
（2）酚类生物传感器
属于酶传感器。检测酚类化合物时，电极表面的酶分子被氢（当酶是酚氧化酶如酪氨酸酶、漆酶时）或过氧化氢（当酶是过氧化氢酶）氧化，接着被酚类化合物重新还原，酚类主要转化为苯醌或酚自由基，这些产物通常具有电化学活性，能在相对于饱和甘汞电极（SCE）0V以下的电位还原，还原电流与溶液中酚类化合物的浓度成正比。这种传感器能检测复杂的环境样品，准确度高，检测限可低于 的水平。
（3）生物传感器用于检测有毒有害物质
生物传感器还可以用于检测某一类有毒有害污染物，如杀虫剂、除草剂、重金属等。用于检测杀虫剂的常用酶是乙酰胆碱酯酶，将固定化乙酰胆碱酯制成的生物传感器放入含有杀虫剂的试样中就可以测量出酶活性的抑制程度。
研究发现用戊二醛将适合检测金属离子的氧化酶固定在膜的表面，然后将膜放置在溶解氧传感器上做探头，可以用来测定重金属离子的浓度如Hg2+和Ag+。以用丙酮酸氧化酶制成的生物传感器为例，当溶液中HgCl2的浓度为 或者AgNO3的浓度为 时，响应基线会降低50% （酶活性降低50% ）。当这种酶生物传感器的酶失活时，可以用 的EDTA进行清洗再生，从而实现这种传感器的重复使用。
二、生物芯片（Bioships）
生物芯片是一种通过微加工技术和微电子技术将生物探针分子（寡聚核苷酸、cDNA、基因组DNA、多肽、抗原、抗体等）固定在硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质表面而构建的微型生物化学分析系统，可以对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分进行准确、快速和大信息量的检测。
在环境监测和环境保护上，可以利用生物芯片快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害。在环境监测方面的应用主要有：水质控制、检测药物、食物添加剂或化学物质毒性以及环境中有害细菌的监测。利用生物芯片技术能够同时快速地检测多种环境中的常见致病菌。靳连群（2003）等[13]建立一种采用基因芯片技术对环境中常见致病菌检测和鉴定的实验方法，他们使用先合成后点样的方法把自行设计合成的一系列寡聚核苷酸探针固定在醛基化修饰的显微镜载玻片上，制成用于致病菌检测的基因芯片。用这样的方法对从实际样品中分离的细菌进行检测，准确率达96. 2%。
三、生物免疫检验（Biology ImmunoTest）
生物免疫检验是利用特定的生抗原或抗体反应，检验分析环境物质的生物毒性。该方法具有灵敏、特异、快捷、实用和经济等优点，而被广泛应用于环境污染物的监控。其中以酶联免疫吸附法试验应用较广。
酶联免疫吸附法（Enzyme Linked Immuno SorbentAssay，ELISA）的基础是抗原或抗体的固相化及酶标记，结合在固相载体表面的抗原或抗体仍保持其免疫学活性，酶标记的抗原或抗体既保留其免疫学活性，又保留酶的活性。在测定时，受检标本与固相载体表面的抗原或抗体起反应，通过洗涤使固相载体上形成的抗原抗体复合物与液体中的其他物质分开，再加入酶标记的抗原或抗体，也通过反应而结合在固相载体上，此时固相上的酶量与标本中受检物质的量呈一定的比例。加入酶反应的底物后，底物被酶催化成有色产物，产物的量与标本中受检物质的量直接相关，故可根据呈色的深浅进行定性或定量分析。由于酶的催化效率很高，间接地放大了免疫反应的结果，使测定方法达到很高的灵敏度。
ELISA可以用来检测环境中的微生物、毒素、残留农药等，具有灵敏度高、简单实用等特点。李方实（2003）等[1]建立了测定水中异丙隆的酶联免疫吸附法，作为异丙隆抗血清和酶标物的半抗原（?和?）的活性都很高。灵敏度为 ，最低检出限为 ，常用的16种取代脲类除草剂的交叉反应率低于2. 2%，不干扰测定，水样可不经过分离提取直接测定。 四、污染物的致癌致畸致突变性监测
由于大量污染物对人体具有潜在的危害，近年来生物的/三致（致癌致畸致突变性）0监测技术得到了很快的发展，如微核技术。微核技术（micronucleus technology）又称MCN方法，是一种染色体损伤的快速生物检测方法。1980年，Degressi和Rizzoni建立了蚕豆次生根尖微核试验系统。1982年，美国西伊利诺斯大学Te-HsiuMa教授利用美国紫露草（Tradescantia Padudosa）为测试材料，建立了利用植物微核监测环境污染的新方法。目前，利用紫露草、蚕豆根尖、紫竹梅等监测海水、淡水、工业污水，建立了不同的测试系统，提供了相关可靠的数据。蚕豆次生根尖微核技术是一种以染色体断裂及纺锤体损伤为测试终点的植物微核监测检测方法。由于断裂后的染色体不具着丝点，到细胞分裂末期，断片流失在细胞质中成为微核。实验证明，环境诱变因子的强弱与诱发的微核率成正比，因此可以用微核大小来表示诱变因子的强弱。利用微核技术监测水质污染有以下优点：灵敏度高，可靠性强，精确度高；技术简单，易于操作，实用性强。
五、单细胞凝胶电泳（SCGE）
单细胞凝胶电泳（SCGE或SCE， Single CellGelEle-trophoresisasay）是在细胞水平上检测核酸损伤的方法。埋在琼脂糖凝胶中的细胞在中性或碱性条件下电泳，DNA解螺旋切碱变性为单链，若细胞DNA受损有遇碱不稳定位点和单链断裂则会出现分子量较小的DNA片段。在电场中，带负电的核酸片断向阳极移动，荧光下可观察到受损伤的核酸形成形似夜空中的彗星图象，故也称为彗星实验。该实验对检测低浓度遗传毒物具有很高的灵敏性，它比微核试验更有益，因为环境中的遗传毒物浓度一般很低，而彗星试验检测低浓度遗传毒物具有高度灵敏性，所研究的细胞不需要处于有丝分裂期。同时，这种技术只需要少量细胞，被广泛应用于DNA损伤、生物监测、遺传毒理等领域的研究。
目前它已经被用于检测哺乳动物、蚯蚓、一些高等植物、鱼类、两栖动物以及海洋无脊椎动物的细胞。
六、结束语
随着科学技术的不断发展，环境监测技术也在向更精细、更准确、更灵敏的方向发展。本文所述环境监测技术各有各的优点和不足，只有对它们作进一步深入的研究，完善优点，弥补缺点，根据各个地区的实际情况和研究实力，把它们联合应用，才能最大限度地发挥每一种监测方法的作用，为环境监测提供强有力的技术支持。同时，生物技术在环境监测领域中日趋重要的地位和作用，充分说明拓宽学科的研究领域，加强学科间的交流、渗透和合作，对于科学的整体发展和进步是至关重要的。
参考文献：
[1]李方实，Kraemer P， Kettrup A.酶联免疫吸附法测定水中异丙隆[J].环境科学学报， 2003， 23（3）： 382-385.