微生物在环境监测中的应用

环境监测工作中微生物传感技术的应用

摘 要：在低碳经济下，环境管理工作面临着较高的要求。如何实现现场的在线监测与分析成为环境监测的一项重要研究要点。随着传感技术的进一步完善，传统的化验式数据收集方法已经无法与发展相满足，从而向人工智能方法的方向进行转变，提升数据的质量水平与收集效率，运用生物传感技术则对环境污染及监督环境问题的过程产生有效简化，作为未来环境监测的主要方向得到应用。

关键词：环境监测；微生物传感技术；应用

1 环境监测的意义

通过加强我国环境监测软硬件的建设力度，使各种环境污染因子的监测构成一定的监测能力，对环境管理的强化产生一定的积极作用。将环境管理的检测数据作为基础，与环境监测的技术监督与支持产生直接联系。若不具备环境监测，则无法实现有效管理，更别说管理的科学化。作为污染动向的掌握及污染危害预防的重要环节，环境监测是环保工作中的“尖兵”，对环境管理的加强、环保政策与法规的制定以及经济的建设都产生了极为重要的作用。

2 生物传感技术的工作原理

生物传感技术的构成主要包括三大部分：物理化学信号传感器、电子信号处理器以及生物敏感元件。现阶段，生物传感技术有在线检测和连续监测的功能，并对环境监测中传感器技术的应用范围实施引导及拓展。生物传感技术的工作原理是通过物理传感器将生物敏感元件型号和特异性向声、光、电等易监测的信号转变。从间接过程中对监测物质信息进行获取。通过分析不同角度，也有各不相同的物理传感器构成分类。生物传感器包括：安培型、电位型、阻抗型传感器以及声波。以转换对象进行区分，生物传感器的类型主要包括NH3、CO2、O2、PH。根据生物敏感元件又可划分为微生物、免疫以及DNA传感器。不同的传感器类型则会有不同的环境监测物质反应状况。

3 环境监测中微生物传感技术的应用

3.1 监测有毒物质

Cellsens生物传感器则是对该种监测技术进行运用而发展出来的一种生物传感器，该技术是将大肠杆菌的毒性分析系统作为基础，衡量标准为细菌呼吸活动，污染物对细菌的呼吸作用造成影响，可根据生物传感器的电流大小的改变对污染物毒性的高低进行判断，Cellsens生物传感器在废水中已经得到应用。

・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）

第３３卷第２３期　

Ｖ０ｌ－３３　Ｎｏ．２３　企业技术开发　ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＩＣＡＬ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ　ＯＦ　ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥ　２０１４年８月　Ａｕｇ．２０１４　

环境监测工作中微生物传感技术的应用　

张瑞霞　，李莉’，王宇　

（１．内乡县环保局，河南内乡４７４３００；２．牧原食品股份有限公司，河南内乡４７４３００）　

摘要：在低碳经济下，环境管理工作面临着较高的要求。如何实现现场的在线监测与分析成为环境监测的一项重要　

研究要点。随着传感技术的进一步完善，传统的化验式数据收集方法已经无法与发展相满足，从而向人工智能方法的　方向进行转变，提升数据的质量水平与收集效率，运用生物传感技术则对环境污染及监督环境问题的过程产生有效简　

化，作为未来环境监测的主要方向得到应用。　关键词：环境监测；微生物传感技术；应用　中图分类号：Ｘ８４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—８９３７（２０１４）２３—００６６－０２　

ｌ环境监测的意义　

通过加强我国环境监测软硬件的建设力度，使各种环境污　

染因子的监测构成一定的监测能力，对环境管理的强化产生一　

定的积极作用。将环境管理的检测数据作为基础，与环境监测　

的技术监督与支持产生直接联系。若不具备环境监测，则无法　

实现有效管理，更别说管理的科学化。作为污染动向的掌握及　

污染危害预防的重要环节，环境监测是环保工作中的“尖兵”，　

对环境管理的加强、环保政策与法规的制定以及经济的建设都　

产生了极为重要的作用。　

２生物传感技术的工作原理　

生物传感技术的构成主要包括三大部分：物理化学信号传　

感器、电子信号处理器以及生物敏感元件。现阶段，生物传感技　

术有在线检测和连续监测的功能，并对环境监测中传感器技术　

的应用范围实施引导及拓展。生物传感技术的工作原理是通过　物理传感器将生物敏感元件型号和特异性向声、光、电等易监　

测的信号转变。从间接过程中对监测物质信息进行获取。通过　

分析不同角度，也有各不相同的物理传感器构成分类。生物传　

1 微生物在环境中的应用

摘要：微生物在环境中既是生产者，也是消费者，更为重要的是分解者，这也是微生物所特有的。正是因为微生物的分解作用，促进了自然界物质循环和转化，同时利用微生物的分解作用，转化环境中的有害污染物，进行生物修复和环境保护。

关键词：微生物、污染处理、环境保护、生物修复

微生物在大气污染治理方面的作用

1. NOx的微生物净化技术

NOx的微生物净化技术原理是利用脱氮菌在外加氮源的环境下, 将大气中有害气体NOx还原成无害气体N2, 在进行还原的同时, 脱氮菌利用NOx作为氮源营养物质进行自身增殖, 如此循环还原, 从而达到多次净化的作用。爱德荷国家工程的实验室研究人员利用脱氮菌进行脱氮, 已经将氮净化率提高到99%。该方法能有效去除废气中的NOx, 因其工艺流程简单、能源消耗低、净化效率高、无二次污染、能进行循环利用等优点, 可以推广用于其他工业有害气体的治理, 从而达到有害气体的再利用。现在, 各国的科学家正在研究将NOx的微生物净化技术与细胞固定化技术相结合, 从而寻找对有害气体NOx进行净化的更便捷、易操作的方法。

2.微生物烟气脱硫技术

现阶段, 对烟气中的SOx、H2S的治理有2个方法:一种方法是利用化学反应原理, 将SOx、H2S转变成H2SO4;另一种方法便是利用氧化亚铁硫杆菌的特性, 吸收大气污染中的SOx, 同时利用吸收液中的微生物使Fe和Fe进行相互转化。由于Fe具有较强的氧化性,

是良好的氧化剂, 所以Fe的浓度越高, 氧化性越强, 脱硫的速度也就越快。同时, 反应生成的Fe又可以作为氧化亚铁硫杆菌的营养源物质, 转化成产物Fe, 再次加快SO2的消化、吸收。研究表明, 现在的氧化亚铁硫杆菌的脱硫率已经达到95%以上, 并且脱硫技术可以运用于煤炭中硫的去除、工业硫化氢气体的净化。

3.微生物除臭技术

2 由于工业气体污染包含多种污染成分, 其中还夹杂着部分固体颗粒, 产生臭气, 故科学家研究出微生物除臭技术, 用于处理工业污染引起的臭气。微生物除臭技术是先将臭气溶于水中, 然后运用微生物的体表面积大、细胞膜和细胞壁可以吸附溶于水中的臭气的特性, 将臭气分解为可溶性物质, 使工业污染中的臭气被消除;同时, 微生物利用臭气中的成分作为自己的营养物质, 进行自身的生长繁殖, 增加了微生物的数量, 加快除臭环节的进行。此技术净化效率高、成本低, 是可以推行的工业除臭技术。德国、荷兰等国家已经开发了生物臭气处理装置, 除臭效率可达1万~15万m/h。