生物传感器在环境监测中的应用

・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）

浅谈环境监测中的生物传感技术应用

摘要：随着经济的快速发展，人们的生活和工作理念发生了重大的变革。低碳经济理念逐步盛行，环境管理工作由此面临着更为严格的要求。环境现场数据的在线监测与分析成为当前环境监测部门所关注的重点。在传感技术逐步成熟的基础上，传统的取样——化验——数据采集方法以逐步被人工智能监测方法所取代，环境数据的监测收集效率和数据有效与精确度均有较大提升。而在环境监测中应用生物传感技术，能够使及时发现环境污染以及对环境问题进行监督的全过程得到有效简化，可以说，应用生物传感技术的环境监测方法将成为日后环境监测工的主流工作方法。

关键词：环境监测；生物传感技术；应用

中图分类号：tu9文献标识码：a文章编号：

生物传感技术在生物传感器的基础上得以实现，该技术利用生物传感器的高灵敏度对环境中不同类别的污染物浓度进行实时监测，且与传统监测方法相比具有诸多优点，例如监测工具体积较小，环境监测过程相对简单快捷，同时还能为原位在线监测提供支持，应用价值极为强大，发展空间极为广阔。笔者在文中浅谈了环境监测中的生物传感技术应用，希望有所指导和帮助。

1 生物传感技术原理概述

生物传感器是化学传感器中较为特殊的一类，它通过对生物感应元件的专一性加以利用，并和能够产生与待测物质浓度成比例的信号传导器相结合。其工作原理主要由待测物质与生物敏感元件两者之间相互作用所决定，在此种作用下，电子组分能够检出待测对象并将其转化为可测量的电子信号。当待测物质扩散并进入固定生化物敏感膜时，经过分子识别，继而发生生物学反应，有相应的物理或化学转换器将所得信息转化为可处理和可定量的电信号，由仪表对此信号作二次放大和输出，经电子计算机处理后，检测所产生信号的程序即为完成。基于此，待测物质的分类与浓度数值得以确定。

2 在监测废水水质过程中生物传感技术的应用

随着经济的快速发展，环境污染问题日益严重。而监测废水水质对于污水处理厂来说已成为一个普遍存在的难题。究其原因，首先是水环境中包含了各种各样的污染物，相互交融，具有极为复杂的成分，同时其含量具有明显的痕量特征，这就要求污水处理厂采取高效、合理的措施对污水成分进行提取、分离、富集和分析，而对其全过程实施在线监测往往具有一定的难度。随着近年来生物传感技术的不断发展和应用，废水水质生物处理过程的在线监测工作得到了有力支持，并且实现了自动化、智能化监控。例如将生物传感器应用到高级环境监测系统以后，可以对废水中所涉及的环境污染物进行检测，对于细胞膜生物传感器来说，其中的脂双层构造中包括有疏水区能够有效地选择系统所运输的各类物质，在此环境下细胞能够对相应的物质加以提取，其生理效应得到良好发挥，再行利用信号转换器对其进行测定。除此之外，还可选择各类自动装置来促进生物传感器使用性能的进一步发挥，使生物传感器的敏感度和重复检测水平得到有效提高。此类生物传感器对于工业废水处理过程以及地下水质量的监测均较为适用。

第２４卷第６期　２０１３年１１月　化学　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　研究　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　中国科技核心期刊　ｈｘｙｊ＠ｈｅｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　

电化学生物传感器在环境监测中的应用及发展前景　

娄童芳，邢欢欢，屈建莹　

（河南大学化学化工学院环境与分析科学研究所，河南开封４７５００４）　

摘　要：简要介绍了电化学生物传感器的工作原理，重点论述了电化学生物传感器在环境监测领域的应用及其　研究进展，主要包括水环境污染物和大气污染物的监测，以及农药残留的监测等．同时，对电化学生物传感器的　发展方向及前景进行了展望．　关键词：电化学生物传感器；环境监测；应用；发展前景　中图分类号：０　６５７．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００８—１０１１（２０１３）０６—０６４３—０６　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　

ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　

ＬＯＵ　Ｔｏｎｇ—ｆａｎｇ，ＸＩＮＧ　Ｈｕａｎ—ｈｕａｎ，ＱＵ　Ｊｉａｎ—ｙｉｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋａｉｆｅｎｇ　４７５００４，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａ—　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｒｅ　ｈｉｇｈ—　ｌｉｇｈｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｓｅｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ，ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　

生物传感器的原理及其应用

随着科技的不断发展，越来越多的新型技术得到了广泛的关注和应用。其中，生物传感器就是一种备受瞩目的领域。生物传感器是将生物分子、细胞、组织等生物材料作为信号转换器，通过转化生物特定的分子识别事件为电、光、声、热等可测量信号的一种装置。生物传感器的原理非常简单，但是其应用领域却异常广泛。下面我们来详细了解一下生物传感器的原理及其应用。

一、生物传感器的原理

生物传感器是一种将生物分子、细胞、组织等生物材料作为信号转换器的研究装置。利用生物分子与分析物的特异性反应，转换生物中指定的分子识别事件为可测量的信号（光、电、声、热等），从而实现对分析物的监测和分析。

通常情况下，生物传感器包括生物感受材料、转换装置和信号处理装置。生物感受材料是生物传感器的关键部分，其主要功能是充当生物分子与分析物特异性反应的膜片或支架，进行特异性识别和结合。转换装置则将特异性结合事件转换为电、光、声和热等信号进行检测，从而确定被检测分子的浓度。信号处理装置则负责对检测到的信号进行放大、滤波、处理及数据分析，输出正确、准确、稳定的信息。

二、生物传感器的应用

生物传感器具有高灵敏度、高选择性、实时检测、非破坏性、无污染等优点，可以广泛应用于医学、环境、食品、生命科学等领域。

1.医学应用

生物传感器在医疗领域的应用非常广泛。例如，可以用于肿瘤标志物的检测，通常采用单克隆抗体对肿瘤标志物进行检测，具有较高的灵敏性和准确性，并且可以实现快速和便捷的检测。另外，生物传感器还可用于检测葡萄糖水平，这对糖尿病患者来说非常重要。

2.环境应用

生物传感器在环境监测中也有广泛的应用。例如，污染物的检测，通过监测大气中的有毒气体和微量元素来判断空气质量，这对保护人们的健康非常重要。此外，生物传感器还可用于检测土壤和水体中的有害物质。

3.食品应用

生物传感器可以广泛应用于食品质量检测中。例如，可以用于检测食品中的致病微生物和其它有害物质。这对保证食品的安全非常重要。