环境监测中生物传感技术的运用实践微探

楼敏捷

（浙江环境监测工程有限公司 浙江杭州 310000）

环境监测中生物传感技术的运用实践微探

楼敏捷

（浙江环境监测工程有限公司 浙江杭州 310000）

生物传感技术是一种用生物传感器检测待测物质的技术，其具有准确度高、专业性强、操作简单及分析速度快等优点，目前在环境监测领域的应用已经发展到较为成熟的阶段。在本文，笔者结合工作经验，浅析生物传感技术在环境监测中的应用，以期提高检测效率、降低检测成本和保护环境免受二次污染。

生物传感器；环境监测；应用

引言

作为生物传感技术检测物质的重要工具，生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号的检测仪器，其工作原理如下：待测生物物质扩散至生物活性材料后，利用化学或物理换能器将生物学反应中产生的信息转换为电信号来识别分子，然后再利用二次仪表进行放大和输出，便可测得生物物质的实际浓度。在这一原理下，生物传感器所用的催化剂为一种可重复使用的固定化生物敏感材料，因此试剂成本较低。生物传感器是由电气元件、机械元件、转换元件和生物识别元件组成，其可用来监测不同的环境污染物质，且目前在环境监测中的应用已十分成熟。在本案，笔者分别讨论生物传感器在水环境、大气环境和土壤环境监测中的应用。

1 水环境监测

水环境是围绕人类空间及可间接或直接影响人类生活与生存的水体。在人类活动频繁化的背景下，水环境污染日益严重，频发的水污染事件更是成了制约整个人类社会健康发展的瓶颈，比如2015年4月27日，宜昌长阳蒙特锰业排污至沿头溪水体污染变黑。在这样的背景下，运用生物传感技术来监测水环境变得尤为重要。据此，笔者重点讨论如何运用生物传感器来监测水体中的生物耗氧量、酚类物质。

1.1 监测生物耗氧量（BOD）

BOD是检测水体中有机污染物的重要指标，其主要选用微生物传感器来加以监测，具体工作原理如下：以微生物的混合种群或单一菌种为BOD的微生物电极，通过监测电极电流信号的强弱变化，并对其进行输出和放大来测定水体中BOD的确切含量。针对上述问题，李花子等人研发的BOD监测仪以酿酒酵母为敏感材料，在温度为25℃、介质pH值为5及固定化酵母为15g的条件下，BOD测定仅耗时15min，且检测结果具有重现性和稳定性的特征，从此实现了直接测定BOD值＜200mg/L的海水；国外研究者将酵母菌种SPT1、SPT2分离固定于光玻碳电极上，用以测定BOD，其测量误差在±10%左右，且在测定纸厂污水中的BOD时，检出限达2mg/L及耗时仅为5min；Renneberg用聚氨基甲酰黄化水凝胶将某一耐盐酵母菌固定，用以在线监测海水中的BOD，其线性范围为2.1～550mg/L，且具有极高的耐受性。综上，BOD传感器的检测速度更快、更灵敏，值得推广应用。

1.2 监测酚类物质

酚类物质是一种剧毒污染物，其在水环境中极为常见，因此应加以严密监测。在监测酚类物质中，生物传感器的应用如下：酶电极安培传感器具有干扰少、检出限低和结构简单等优点，在监测酚类污染物中的应用十分普遍；穆东燕等人用酪氨酸酶碳糊电极组成电流生物传感器，测得苯酚浓度为2.0×10-7～1.0×10-5mol/L时与电极电流存在线性关系，且响应时间仅为2min，同时这一电极对邻甲酚、邻苯二酚等酚类物质的响应效果也十分理想，因此可将之用来监测工业废水中的酚类物质；研究人员利用二相生物传感系统来检测有机介质与水溶液中的酚，并采用竞争性流动注射棉衣荧光分析法来测定其中的酚类污染物，比如4-硝基酚等；李天华等人用L-半胱胺卟啉铜修饰金电极，用以催化氧化苯酚，这一方法具有响应速度快、线性范围广的优点及其检出限约为2.0×107mol/L，则可将之用来检测地表水中的苯酚。

2 大气环境监测

大气环境是生物赖以生存的空气的生物学、化学和物理特性，其一旦遭到污染，便会引发一系列问题，从而危及整个生物圈的生存和发展。大气环境的污染因子以 SO2、NOx、CO2和 TSP 等为主，其中 SO2、NOx会引起酸雾、酸雨，是大气环境安全的最大威胁，同时NOx会引起光化学污染。可见，重视对大气环境的监测尤为重要，而生物传感器可为之提供一种简单、实用、有效的监测方法。

2.1 监测SO2

针对生物传感器在SO2监测中的应用，马莉等人先在醋酸纤维膜上固定好含亚硫酸盐氧化酶中的肝微粒体后，再与氧电极组成安培生物传感器，以分析由SO2产生的酸雾、酸雨样品溶液，其中的肝微粒体在对亚硫酸盐进行氧化时，会消耗掉相应的氧，从而使得氧电极四周的溶解氧浓度下降并引起电流改变，此时通过监测电流变化，便可测得亚硫酸盐的含量。上述监测方法具有响应速度快、测定结果的准确度高和重现性好等优点，即在10min左右便可测定稳定结果及亚硫酸盐在含量＜3.4×10-4mol/L的条件下与电流存在线性关系及其检出限为0.6×10-4mol/L，注意类脂质仅可在37℃的条件下使用，并保存2d及分析20次。Carballor等人制备的聚卟啉合镍修饰玻碳电极可与流动注射分析法联用，用以快速测定SO2的含量，且其检测限为0.15mg/L。

2.2 监测NOx

目前，在NOx监测中应用的生物传感器由氧电极、固定化硝化细菌和多孔气体渗透膜组成。其中，硝化细菌是亚硝酸盐的能量来源，在亚硝酸盐的作用下，其呼吸活性会有所增加，同时可利用氧电极测定溶解氧含量在这一呼吸过程的下降量，进而测定亚硝酸盐含量，用以反映NOx的含量。这一传感器的检出限达0.01mol/L，且亚硝酸盐在含量＜0.59mol/L的条件下与电流呈正相关，从而表现出较好的选择性和较强的抗干扰能力。另外，Charlesp等人用氧电极、固定化硝化细菌和多孔渗透膜组成的微生物传感器可用来测定亚硝酸盐的含量，从而监测测定大气环境中的NOx的含量，其检出限达1×10-8mol/L。

3 土壤环境监测

土壤环境是岩石经生物、化学、物理的风化与侵蚀作用及气候等因素的作用形成的土壤生态环境，其在社会经济飞速发展的背景下，正遭到严重污染。因此，应重视对土壤环境的监测，而生物传感器的应用在这一监测过程中起到了十分重要的作用。例如：顾宗濂等人利用一株优质的杆菌来监测土壤在受重金属污染后的总生物毒性，同时研发了生物毒性测定仪；Roberto等人在GFP基础上，采用基因转录的方式研发了细菌荧光素酶生物传感器，用以测定砷酸盐和亚砷酸盐，从而实现了对砷污染环境的长期在线监测，且具有检测费用低、效果好等优点。

4 结语

目前，生物传感技术在环境监测中发挥了重要的作用，且与传统的检测技术相比，具有操作简单、灵敏度高、选择性强、检测成本低、响应速度快及支持现场或在线监测等优点。在未来的发展中，为了满足环境监测的要求，生物传感器的功能定由多功能方向发展，其中纳米生物传感器的集成和应用将在提高检测效率、灵敏度及简化结构上发挥重大的影响，从而为保护环境安全提供技术支持。

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2016-5-20