生物技术在环境检测系统中的应用研究

郭 林，陈樟森，闫家宁，张莉莉

（1.浙江求实环境监测有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省轻工业品质量检验研究院，浙江 杭州 310000；3.浙江质环检测技术研究有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

近些年，基因、细胞、酶等方面的生物技术发展逐渐渗透到人们的生产生活中。生物技术是以生命科学作为研究的基础，并且结合其他的基础科学，使用当前最先进的科学技术，来满足人类的需求。因此，在环境监测系统中也积极采用了生物技术。由此对生态环境和自然中的生物进行全面的了解并针对性地研究。

1 几种主要的生物技术

1.1 生物芯片技术

在玻璃片、塑料片、硅片等介质上放上生物样品就可以作为一个生物芯片，再通过特定仪器的对其分析就可以得出所检查物质中不同成分的种类。这需要在使用之前利用微电子技术对所需要的物质进行加工，从而获得出可固相介质。在实际使用之前，需要相关技术人员针对实际情况使用不同型号和大小的探针制备不同的蛋白质芯片或者其他芯片。在实际使用过程中，选择合适的芯片对特定环境中的污染情况进行测量，并且还能有效地提高检测的准确性。而且生物芯片技术的使用的是当前先进的智能化技术，通过其电脑设备的分析，可以大大的提高其工作效率。

1.2 PCR 技术

PCR 技术的理论是源于克隆技术，其主要运用的原理就是链式特性聚合酶反应的原理。它主要是利用特异性的DNA 片段能够在机体外合成的特性，来将机体内的某一段基因片段进行延展，从而实现检测环境中的细菌或者是病毒的作用。在使用的过程中需要将母链DNA 作为模板（图1），经过变性、退火、延伸等实验步骤，实现复刻的目的。PCR 技术的使用让人们可以更加准确的检测环境中的有害生物、特异性种群以及基因工程菌种进行有效地追踪，从而让人们能够更加准确的分析环境中的病菌类型。而且PCR 技术的使用，也在一定程度上促进了DNA 突变分析能力上的发展。

图1 PCR 反应过程

1.3 生物酶技术

生物酶技术主要分为两种，一种是生物酶抑制技术，另一种是酶免疫测定技术。生物酶移植技术是利用污染物会抑制特定的酶的原理，通过对特定酶数量的多少来分析污染物的含量。在实际操作过程中，会针对特定酶的种类加入专用的显色剂，根据显示出来的特定酶的多少来判断这个环境之中，某种污染物是否存在以及其存在多少。酶免疫技术则是利用抗原会与抗体发生特异的反应的原理，使用酶来标记其中一个，从而测定另一种物质是否存在，以及其存在的多少从而分析出此环境中污染物存在与否，以及其存在的数量。这两种技术通常会根据环境的实际情况进行选择。

1.4 生物传感技术

生物传感技术主要是利用生物与生物组织间会相互作用的实际情况，将比较难以检测的测试对象转换为比较好识别的电子信号。在测试的过程中，通过电子元件来识别和分析测试对象与生物组相互作用时产生的电子信号，从而控制检测过程中的检测对象。这一技术是在计算机技术发展的过程中，受到计算机技术的影响和促进，使生物技术和电子技术建立了连接，将生物反应转变成电信号，也可以将电信号转变成生物反应，从而有效地控制检测对象。生物传感器技术在使用的时候具备高度集成性，能够更加自动化地完成检测的工作。

2 应用在环境检测系统中的情况

2.1 生物芯片技术辨别致病菌种

生物芯片技术中包括了计算机科学、化学、物理学等多种学术专业的新兴技术。在生物芯片技术的使用过程中需要将大量的生物样本有序地固化在支持物的表面，让其与需要监测的生物样品进行反应，然后再通过特定的仪器分析其反应的程度。这种方法没有任何污染还简单快捷，是众多需要进行大批量环境样品检测时的首选方式。

在环境检测过程中，主要利用生物芯片技术对检测环境中病原细菌的数量、分布密度、生物种类等多种影响环境的因素进行调查和管理。目前生物芯片在环境检测工作的中使用十分的广泛，比如：罗德岛大学中的研究人员将此技术与光纤金属进行了结合，通过将光纤的末端与检测物质保持接触的方式，来对环境中的沙门氏菌等病菌进行实时的监测；一家法国的水管理企业开发了一种能够实时监测公共饮用水中的微生物数量和种类变化情况的生物芯片；Anthony 等研究人员使用DNA 芯片创建了一个能够监测对象中细菌种类和密度的细菌检定系统等。

在环境检测系统中，主要利用生物芯片技术对实验样本中细胞基因组的分析，并且对DNA 的多态性变化以及其突变的过程进行准确的筛选，从而对环境中污染情况进行有效地分析。通过科学的计算和分析，从而确定环境污染情况记忆在环境污染情况下生物基因水平是否变化，以及其变化的程度，从而保证对环境监测的科学性。并且在生物芯片技术快速发展的背景下，其在环境检测过程中的重要性也越来越高，逐渐成为重要的研究课题。

2.2 PCR 技术检测病菌

水体中的病原体想要真的达到治病的程度，是需要一定的剂量的积累的，而且不同微生物所需要的积累的量也不同。只有将水体中病原体的实际数量和种类进行全面的了解才能真正的解决水污染的问题，因此就需要相关检测人员加强对于水体中病原体污染的程度的监测。在传统的检测过程中，大都采用对污染物中的微生物进行实验室培养的方式来研究微生物群落，但是在饮用水样品中，只有微乎其微的微生物能够使用此种方式，因此PCR 技术就被推到了检测病菌工作的前沿。

PCR 技术的种类各种各样，但是其主要的原理还是采用PCR 技术获得的母体的片段来监测环境中的微生物。PCR 的作用有很多，比如：检查饮用水中的大肠杆菌、在基因工程中制备目标片段、制备DNA 探针；分析生物多态性等等。PCR 技术在环境检测系统中，主要是利用其能够复制基因的原理，增加足够的聚合酶来让基因片段大量的复制，从而实现病菌情况监测的目的。PCR 技术在环境检测过程中，能够将传统的分离培养替换了下去，对具有毒害特性的病菌进行更加精准的检测，从而提高了环境监测部门过程中的实际效果。而且对于水体样本，还能够检测出其中残存的病原，增加了环境检测的检测范围。对于样本中浓度不高的检测目标，PCR 技术也可快速的检测出来，增加了环境检测的精准度。对于一些水体中存在的各种各样的杆菌，PCR 技术也能够高效地检测出来，从而提高了环境检测的可靠性。由此可见，PCR 技术与传统的检测方式相比，其具有更高的准确性，更可靠的实用性，更广泛的检测范围。

2.3 生物酶技术辨别污染情况

生物酶技术已经是环保组织必备的检测技术，而且它含有生物酶抑制和生物酶免疫的两种方式也给环境监测系统提供了更加有效地污染情况分辨能力。生物酶抑制技术主要使用在某一区段是否已经被中毒的污染，利用其对生物酶进行显色的方式，来推测这一区段内污染的情况。其在使用的过程中，不光会判断微生物对环境的污染也可以判断重金属对于环境的污染。在土壤污染检测中，利用重金属也会对酶产生干扰的实际情况，就可以借助让酶显色的方式来辨别土壤中残存的重金属的种类，以及重金属存在的密度。而且随着生物酶技术的发展，当前开发制备酶的技术也越来越成熟，能够有效地减少酶的制作成本。而且生物酶抑制技术还能够将检测数据中的误差进一步缩小，进而实现更为准确敏捷的检测方式。

生物酶免疫技术将生物和免疫融汇起来，并且创建了一个新的领域。生物酶免疫技术主要是通过对抗体和抗原之间彼此干扰情况的分析，并且利用其特有的特性进行环境检测。首先将污染物设定成抗原，然后提取会干扰抗原的必须具备的抗体。在动物的机体之外，抗原和抗体之间也会彼此发生反应。在此阶段设定一个示踪物，就可以展现出其反应时的状态。再将光学测定技术与其进行有效地配合，从而确定出最为准确的检测数值。通过此种方法，就可以将环境监测的效果进行有效地提高。当前在我国，已经创新建设了显色酶片，以及让酶显色所必需的新的标识。这种标识更方便携带，还能够更加快速地检测出残存的污染物质。

2.4 生物传感技术鉴别信号与污染物

生物传感器是通过科学手段，将难以分辨的生物手段用电信号来代替，从而提高人们的可见性，以此检测环境中的污染物质，如图2 所示。在生物传感技术使用的过程中，需要利用固定细胞核和固定化酶的方式进行工作，通过预先设定好的识别元件来辨识生物反应过程中的全部特点，找出生物反应的关键流程。之后就可以将生物反应替换成更加容易辨别和分析的电信号。传感器可以对生物组分进行高效的分辨识别，还能够对某一区段的环境进行识别，通过将其难以辨别的生物反应替换成可以测定的信号的方式来检测环境情况，这也是传感器具有的最为独特的机理。

图2 生物传感器

生物传感器借助生物分子将目标准确的分辨选择，筛选出最为合适的目标。再通过物理反应与化学反应来将生物分子的反应进行转化，从而将更加好辨别的信号进行输出。再利用专业的检测机器进行分析，从而得出更加科学有效的结果。在环境检测系统中，可以使用生物传感器来检测水体中存在的农药、重金属、二氧化硫等污染物。而且传感器在物理和化学范围中使用还可以对信号和污染物质进行有层次的鉴定分辨，还能够分辨周围环境中其他的干扰因素。而且传感器在不同领域中进行有效的融合改善也可以让检测的结果更加的真实、有效、准确。进而促进各个领域的发展。比如当前的人脸识别系统中生物传感器技术的使用就将支付的技术提高到了一个新的层次。而且除了支付之外，人脸识别技术在安全防范、人员管理、人口普查等多个方面都起到了很好的效果。

3 生物技术使用的发展趋势

生物技术的使用不光可以使用在环境检测工作中，其也可以广泛地使用在各个领域中。首先在工业方面，其可以对视频中的添加物进行有效地检测，从而提高视频生产的效率和质量。还能够使用生物技术解决当前食品种类中缺少蛋白质的问题。在材料方面，生物技术可以变废为宝，比如利用生物技术提取出甲壳生物的甲壳素，利用甲壳素能够加快伤口愈合的优势，将其制作成缝合线。利用生物技术分析出蜘蛛丝蛋白质能够高强度和高塑造性的原因，并且将其使用在军事防弹衣的制作中，提高军事防护的安全性。从环保角度来说，可以通过利用微生物能够产生可降解材料的特点，通过采用生物技术对其进行检测，从而制造出可生物降解的塑料，从而降低“白色污染”。与此同时还可以利用生物技术来提高农作物的产量，培养出更加具有抗病毒、抗旱、抗涝等方面自身抵抗力强的生物种类。

4 结语

综上所述，生物技术在环境检测系统中的使用能够全方位的方面地提高环境监测的工作质量。其能够对造成环境污染的污染物的种类、含量、浓度等重要因素进行更加科学准确的分析。利用生物技术的分析，环境检测人员能够更加有针对性地解决生态环境中的问题，提高整体环境保护工作的效率，促进生态平衡。