生物传感器技术应用在环境监测中的作用

・９４・　价值工程　

微生物传感器在环境监测中的应用进展　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　金静Ｊｉｎ　Ｊｉｎｇ　（河北绿环室内环境检测有限公司，石家庄０５００００）　（Ｈｅｂｅｉ　Ｌｖｈｕａｎ　Ｉｎｄｏｏｒ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００００，Ｃｈｉｎａ）　摘要：近年来，随着微生物固定化和生物传感技术的不断发展，微生物传感器技术也显示出广阔的应用前景。本文综述了微生物传感器的基　本工作原理以及在水质、大气监测和生物毒性测试等方面的应用进展，并对其前景进行了展望。　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ　ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ　ａｎｄ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｅｎｓｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｉｃｒｏ－ｓｅｎｓｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｓｈｏｗｎ　ｂｗａｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ，ａｉｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｔｏｘｉｃｉｔｙ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｃａｒｒｙｓ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ．　关键词：微生物传感器；监测；应用进展　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｓｅｎｓｏｒ；ｍｏｎｉｔｏｒ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　中图分类号：Ｘ８３　文献标识码：Ａ　０引言　近些年来，工业化进程和新技术开发日新月异，使人类文明发　生了翻天覆地的变化。与此同时，自然环境也遭到了极大冲击，污染　问题日益严重，引起了世界各地人民的广泛关注，因此对环境污染　物进行有效监测意义重大。微生物传感器由于快速、灵敏、响应快，　样品用量少等特点非常适用于环境样品的监测。同时更由于体积　小，易于实现连续在线监测，成本远低于大型的分析仪器，便于推广　普及而得到迅速发展。１９７５年Ｄｉｖｉｅｓ制成了第一支微生物传感器，　由此开辟了生物传感器发展的又一新领域。与最早问世的酶电极相　比较，微生物传感器的稳定性较好，使用寿命也较长，且价廉。微生　物细胞中的酶因为仍处于它的自然环境中，这就增加了稳定性和活　性，还免除了花费昂贵的酶纯化和辅助因素再生的步骤。　１在环境监测中的应用　１．１生物需氧量（ＢＯＤ）的监测ＢＯＤ是废水监测中最重要的参　数之一，传统的监测方法是采用五日生化法测定，费时、费力且不易　实现在线监测。而采用生物传感器测定ＢＯＤ值能将测定时间缩短　至１５分钟，而且重现性大大提高，具有广阔的市场，许多种ＢＯＤ传　感器被应用开发。商业上可行的、最早的微生物传感器也是用于监　控废水和污水处理厂中的可被生物降解的有机化合物。１９７７－年　Ｋａｒｕｂｅ　ｒｌ１等开发出能够测定水质的ＢＯＤ微生物传感器，宣告了人类　第一台ＢＯＤ微生物传感器的问世。我国于２００２年由国家环境保护　总局颁布了水质中污染物生化需氧量测定微生物传感器快速测定　法环境保护行业标准，该方法适用于地表水、生活污水和不含对微　生物有明显毒害作用的工业废水中ＢＯＤ的测定。　为了监测低ＢＯＤ的废水水样（小于Ｓｍｇ／Ｌ）例如污水处理厂的　二级废水或河水等，Ｃｈｅｅ［２１使用一种恶臭假单胞菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ　ｐｕｔｉｄａ）￥１Ｊ成了高灵敏度的ＢＯＤ传感器。这种从污水处理厂分离筛　选得到的细菌能够降解许多难降解有机化合物如腐殖酸、木质素、　单宁酸、表面活性剂等河水及污水中的化合物。这种高灵敏度的　ＢＯＤ传感器不久将投入生产，在日本广泛用于河水及污水ＢＯＤ监　测，并有望替代传统的ＢＯＤ　监测方法。　Ｔｏｍ　Ｒｅｎｎｅｂｅｒｇｔ３Ｊ￣０用一种耐盐酵母菌（Ａｒｘｕｌａ　ａｄｅｎｉｎｉｖｏｒａｎｓ）固　定在聚氨基甲酰磺化水凝胶组成微生物传感器，其对盐的高耐受性　可以适应海水盐分对细胞的影响儿应用于海水的ＢＯＤ监测，线性　响应范围能达到５５０ｍｇ／Ｌ，最低检测限２．１ｍｇ／Ｌ，对海水水污染可实　现理想的在线监测。　另外，Ｋｏｅｎｉｇ￣４１等研制成一种基于硝化细菌硝化作用的抑制原　理制成的微生物传感器。这种传感器将硝化细菌固定在微小的氧　电极上，通过测定硝化细菌的呼吸活性可以监测废水的Ｎ—ＢＯＤ，　具有响应时间短、重现性好、灵敏度高等特点，有着很好的商业应　作者简介：金静（１９７４一），女，河北石家庄人，硕士，主要研究方向为室内环境　污染检测与治理。　文章编号：１００６—４３１１（２０１０）２２一ｏｏ９４一Ｏ２　用价值。　１．２环境中污染物的检测表面活性剂是一种广泛使用的有机　化合物，同时也对环境造成了很大的污染。Ｒｅｓｈｅｔｉｌｏｖｒ￣和Ｔａｒａｎｏｖａ　研究了的假单胞菌和无色菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ　ａｎｄ　Ａｃｈｒｏｍｏｂａｃｔｅｒ）传　感器的敏感性和选择性，这种细菌能够降解表面活性剂引起溶解氧　的减少，通过氧电极的变化检测表面活性剂的含量，最低检测限能　达到０．２５１ｘｇ／Ｌ。　ＳＯ　是形成酸雨酸雾的主要原因，传统的检测方法很复杂。　Ｓａｓａｋｉｍ￣－种氧化亚铁硫杆菌（Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ　ｆｅｒｒｏｏｘｉｄａｎｓ）￣ｌＪ成微生物　电极与电位计、记录仪构建成微生物传感器，可以监测酸雨中的硫　酸盐，并讨论了这种微生物传感器的使用寿命、酸雨中其他离子的　影响以及它的应用。王晓辉ｉｓ］等将从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛　选出一株专性、自养、好氧的氧化硫硫杆菌，将此菌体夹于两片醋酸　纤维素膜之间制成夹层式微生物膜制成一种硫化物微生物传感器，　建立了测定硫化物的新方法。　在其他各种污染物监测中Ｐｒｅｓｔｏｎｔ９１等利用荧光假单胞菌实现　了对重金属离子的监测，Ｒｉｐｐ　ｌｌＯ］等利用荧光假单胞菌（Ｐ．　ｆｌｕｏｅｒｅｓｃｅｎｓ）监测多环芳烃，另外监测污染土壤中的多环芳烃还有　矢野口鞘氨醇单胞菌（Ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓ　ｙａｎｏｉｋｕｙａｅ　Ｂ１）安培型生物传　感器ｌｌ１１等。　１．３在生物毒性测试中的应用　毒性是一项综合的生物学参数，它是衡量样品对活性生物体所　产生的影响，不能以化学分析的方法进行测定，而其他的生物测试　方法如鱼类试验、浮游动物试验、藻类试验等则较为复杂。微生物传　感器法适用天然微生物，这一方法经研究被证实具有快速、简便的　特点，同时有很好的灵敏度和可靠性。另外，细菌本身没有危害性。　发光微生物传感器是目前生物毒性测试中研究最多的微生物　传感器之一。最常用的生物发光系统是用于水体毒性实验的　Ｍｉｃｒｏｔｏｘ法评价。早在１９９５年国家环境保护总局就颁布了水质急　性毒性的测定发光细菌法行业标准。该标准规定了测定水环境急性　毒性的发光细菌法，适用于工业废水、纳污水体及实验室条件下可　溶性化学物质的水质急性毒性监测。　张金丽【　２１等利用Ｍｉｃｒｏｔｏｘ技术检测５种多环芳烃化合物生物毒　性结果表明，二甲亚砜配制的测试液中萘、菲及荧蒽均对发光细菌　具有一定生物毒性，且随浓度的增大而增强，相同浓度下毒性菲＞　萘；测试液中当萘浓度小于其溶解度时即产生１００％的抑光率，萘　ＥＣ　为４．３２　ｍｇ／Ｌ，而菲及荧蒽浓度近其溶解度时所产生的最大抑　光率分别为＜５０％和１５％．左右；芘及蒽最大浓度时则对发光细菌无　生物毒性显示。表明Ｍｉｃｒｏｔｏｘ技术可有效检测低环化合物萘的生物　毒性，但对高环化合物（／＞３环）的检测因受其低水溶性的限制而灵　敏度降低，利用二甲亚砜获取多环芳烃污染物提取液的生物毒性主　要与低分子化合物萘及菲有关。　宫智勇Ｉ　３１等利用聚乙烯醇（ＰＶＡ）

引言概述：

微生物传感器是一种新兴的生物传感技术，其利用微生物的特性来检测和监测环境中的化学物质。微生物传感器可以应用于环境监测、食品安全、医学诊断等领域，具有高灵敏度、低成本和快速响应等优点。本文将针对微生物传感器的原理、分类、应用以及未来发展进行详细阐述。

正文内容：

1. 微生物传感器的原理

1.1 生物识别元素的特性

微生物传感器通过选择合适的生物识别元素，如细菌、真菌或酵母等微生物，将其与传感器设备相结合，实现对目标物质的识别和检测。

1.2 信号转化机制

微生物传感器通过生物发酵、免疫反应、酶促反应等生物学机制将目标物质转化成可测量的电信号或光信号，实现对目标物质的定量分析。

2. 微生物传感器的分类

2.1 按生物识别元素分类 微生物传感器可根据所采用的生物识别元素的种类进行分类，分为细菌传感器、酵母传感器、真菌传感器等。

2.2 按应用领域分类

微生物传感器可根据其应用领域进行分类，如环境监测传感器、食品安全传感器、医学诊断传感器等。

3. 微生物传感器的应用

3.1 环境监测

微生物传感器可用于监测水质、空气质量、土壤污染等环境参数，具有高灵敏度和实时监测的优势。

3.2 食品安全

微生物传感器可用于检测食品中的致病菌、重金属等有害物质，提高食品安全水平和追溯能力。

3.3 医学诊断

微生物传感器可用于检测病原微生物、药物残留等，为临床诊断提供快速、准确的结果。

4. 微生物传感器的优势与挑战

4.1 优势

4.1.1 高灵敏度 微生物传感器在目标物质的识别和检测方面具有高灵敏度，能够实现低浓度物质的检测。

4.1.2 低成本

与传统的化学分析方法相比，微生物传感器具有较低的成本，可以降低实验室设备和试剂的使用成本。

生物传感器的应用领域与优势

生物传感器是一种将生物体内信息转化成电信号并进行检测分析的装置。它可以检测人体内的生物分子、细胞、组织等信息，如血液中的葡萄糖、酸碱度、蛋白质等，有着广泛的应用领域和优势。

一、医疗领域

生物传感器在医疗领域中的应用主要包括疾病的诊断、治疗和监测等方面。例如，通过检测患者血液中的葡萄糖浓度，能够实时监测糖尿病患者血糖水平，从而调整药物剂量和饮食结构，保证病患的健康。此外，生物传感器还可以监测肝脏功能、心脏健康状态和癌症病情等，提高了医疗保健的精确性和效率。

二、环境监测

生物传感器在环境监测领域中的应用主要包括空气、水、土壤等污染物的检测和监测。从维持自然环境到防止有害的化学物质对人体健康的威胁，生物传感器在环境监测方面发挥着重要作用。比如，通过检测水中的氨氮、硝酸盐、重金属等有害物质含量，能够实时预警水质问题，保障居民健康。

三、农业领域

生物传感器在农业领域也得到了广泛的应用，主要包括精准施肥、植物病虫害检测、检测农产品中的残留物等方面。通过检测土壤中的营养元素含量、作物生长发育过程中的植物生理状态，能够实现合理施肥，获得更好的产量和品质；通过检测农产品中的残留物，能够预防食品安全问题，保障消费者健康。

四、生命科学研究

生物传感器在生命科学研究领域中也得到了广泛的应用，例如，通过检测蛋白质、DNA、RNA等分子，能够解决基因测序、药物筛选、细胞信号传导等研究问题，为新药开发和疾病治疗提供有效支持。

总之，生物传感器的应用领域非常广泛，除了以上所列举的几个方面外，还有很多其他的应用场景，例如生物燃料电池、人机交互、安全检测等等。相比于传统的检测手段，生物传感器具有高灵敏度、高选择性、快速响应和实时监测等优势，是近年来各领域中广泛使用的分析工具。

环境监测技术创新与应用方案

在当今时代，环境问题日益严峻，对环境进行准确、及时、全面的监测显得尤为重要。环境监测技术的创新与应用，不仅是解决环境问题的关键手段，也是推动可持续发展的重要支撑。本文将探讨环境监测技术的创新方向以及应用方案，以期为改善环境质量提供有力的技术支持。

一、环境监测技术的创新方向

（一）传感器技术的发展

传感器作为环境监测的关键设备，其性能的提升直接影响监测数据的准确性和可靠性。目前，新型传感器不断涌现，如纳米传感器、生物传感器等。纳米传感器具有极高的灵敏度和选择性，能够检测到极低浓度的污染物；生物传感器则利用生物活性物质对污染物的特异性反应进行监测，具有快速、准确的特点。此外，传感器的微型化和智能化也是发展的趋势，微型传感器可以实现对微小环境区域的监测，智能化传感器能够自动进行数据采集、处理和传输，大大提高了监测效率。

（二）遥感技术的应用拓展

遥感技术在环境监测中发挥着越来越重要的作用。通过卫星遥感、航空遥感等手段，可以实现对大范围区域的环境监测，获取土地利用、植被覆盖、水体污染等信息。随着高分辨率遥感影像的普及和多源遥感数据的融合，遥感技术在环境监测中的精度和应用范围不断扩大。例如，利用热红外遥感可以监测城市热岛效应，通过微波遥感可以探测土壤湿度和地下水情况。

（三）大数据与人工智能的融合

大数据和人工智能技术为环境监测带来了新的机遇。通过收集大量的环境监测数据，并运用人工智能算法进行分析和挖掘，可以发现潜在的环境问题和规律。例如，利用机器学习算法对空气质量数据进行预测，可以提前采取措施应对污染天气；通过深度学习算法对图像数据进行处理，可以实现对水体污染的自动识别和分类。此外，基于大数据的环境监测平台能够实现数据的共享和整合，为环境管理决策提供更加全面和准确的依据。

（四）便携式监测设备的研发

为了满足现场快速监测的需求，便携式监测设备的研发成为热点。这些设备体积小、重量轻、操作简便，能够在短时间内给出监测结果。例如，便携式气相色谱仪、便携式水质检测仪等，可以在突发环境事件中快速确定污染物的种类和浓度，为应急处置提供及时的支持。同时，随着智能手机的普及，基于手机的环境监测应用也逐渐兴起，通过外接传感器或利用手机内置的传感器，实现对环境参数的简单监测。