生物技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

項(xiàng)慰剛

（華中科技大學(xué)文華學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人口不斷增長(zhǎng)，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。治理污染，保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為全人類的深切呼聲。50年代，即早起的環(huán)境監(jiān)測(cè)主要采用分析化學(xué)的方法對(duì)污染物進(jìn)行分析，但由于環(huán)境污染物含量低(通常是p p m或p p b級(jí)別)、變化快，檢測(cè)結(jié)果往往不很理想。

近些年來，以基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程為代表的現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展迅猛，并日益影響和改變著人們的生產(chǎn)和生活方式。所謂生物技術(shù)是指“用活的生物體(或生物體的物質(zhì))來改進(jìn)產(chǎn)品、改良植物和動(dòng)物，或?yàn)樘厥庥猛径囵B(yǎng)微生物的技術(shù)”。隨著對(duì)環(huán)境污染認(rèn)識(shí)地不斷加深，污染對(duì)生物群和人類健康的影響漸漸顯露出來。單單依靠理化監(jiān)測(cè)并不能反映出污染物對(duì)生物體及生態(tài)系統(tǒng)影響的綜合效應(yīng)，所以利用生物對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過不同的層次和方面分析污染危害的程度，已成為一種被廣為接受和有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段。生物技術(shù)應(yīng)用與環(huán)境管理，是為了推動(dòng)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，1998年，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織認(rèn)為生物技術(shù)將對(duì)工業(yè)的持續(xù)發(fā)展起著十分關(guān)鍵的作用，鼓勵(lì)其成員國支持工業(yè)和環(huán)境生物技術(shù)的研究。

現(xiàn)代生物技術(shù)建立了一類新的快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)環(huán)境的有效方法，主要包括利用新的指示生物、利用核酸探針和利用生物傳感器。人們分別用細(xì)菌、原生動(dòng)物、藻類、高等植物和魚類等作為指示生物，監(jiān)測(cè)它們對(duì)環(huán)境的反應(yīng)，邊能對(duì)環(huán)境質(zhì)量做出評(píng)價(jià)。

1 生物傳感器技術(shù)

隨著生物技術(shù)及電子科技的迅速發(fā)展，生物傳感技術(shù)已逐漸成為一個(gè)新興的高科技領(lǐng)域。由于傳感器具有高度自動(dòng)化、微型化與集成化的特點(diǎn)，能提供有效而快速的分析手段而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，從而為生物醫(yī)藥、環(huán)境檢測(cè)、食品工業(yè)等領(lǐng)域帶來新的技術(shù)革命。

生物傳感器以生物分子去識(shí)別被測(cè)目標(biāo)，然后通過信號(hào)系統(tǒng)將生物分子所發(fā)生的物理或化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)予以輸出放大，從而得到監(jiān)測(cè)結(jié)果。生物傳感器技術(shù)是建立在固定化細(xì)胞和固定化酶技術(shù)的基礎(chǔ)之上的。生物傳感器技術(shù)發(fā)展較快，目前在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中已得到廣泛應(yīng)用的有B O D生物傳感器，氨生物傳感器，亞硝酸生物傳感器，乙醇生物傳感器，氧化還原電位（O R P）生物傳感器，菌濃度檢測(cè)器，底物及代謝濃度檢測(cè)器等。這些生物傳感器的開發(fā)和應(yīng)用不僅克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法繁瑣、準(zhǔn)確性差、不能及時(shí)反映水質(zhì)狀況的缺點(diǎn)，還為自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)、污水處理設(shè)施連續(xù)在線監(jiān)測(cè)提供了可能，因而為整個(gè)水處理事業(yè)的自動(dòng)化打下了基礎(chǔ)。

2 生物大分子標(biāo)記物

生物大分子標(biāo)記物是指生物體內(nèi)的一些對(duì)外界環(huán)境變化敏感并能產(chǎn)生一些可監(jiān)測(cè)變化的大分子物質(zhì)，這些大分子物質(zhì)能夠反映環(huán)境變化對(duì)生物體的影響。隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視和分子生物技術(shù)的發(fā)展，將生物大分子標(biāo)記物的

監(jiān)測(cè)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)中已成為一種趨勢(shì)。生物大分子標(biāo)記物檢測(cè)憂郁其測(cè)定指標(biāo)全面、準(zhǔn)確、系統(tǒng)且具有特異性等優(yōu)點(diǎn)，近十幾年來作為污染物暴露和毒性效應(yīng)的早期預(yù)警工具已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)中。例如，核酸分子標(biāo)記物檢測(cè)，蛋白分子標(biāo)記物檢測(cè)。

3 基因探針、PCR技術(shù)

近年來，國內(nèi)外有關(guān)核酸探針、PCR（Polymerase Chain Reaction）技術(shù)用于細(xì)菌、病毒檢測(cè)的報(bào)道日益增多。非放射性核酸探針的靈敏度和特異性基本上達(dá)到了反射性同位素標(biāo)記探針的水平，使核酸雜交技術(shù)檢測(cè)各種微生物更為安全、方便、快捷。目前已可利用核酸探針來檢測(cè)水環(huán)境中的致病菌，如大腸桿菌、志賀氏菌、沙門氏菌、耶爾森氏菌等腹瀉性致病菌。核酸探針也可用于監(jiān)測(cè)乙肝病毒、艾滋病病毒等病毒。PCR技術(shù)適用于目前尚不能培養(yǎng)的微生物檢測(cè)，可用于水樣中的細(xì)胞檢測(cè)。隨著技術(shù)的完善及成本的降低，今后核酸探針和PCR技術(shù)可能發(fā)展為一種快速可靠并可能代替常規(guī)水質(zhì)微生物檢驗(yàn)的方法。

4 酶免疫監(jiān)測(cè)

酶免疫監(jiān)測(cè)（enzymeimmunoassay，EIA）是根據(jù)抗原體反應(yīng)具有高度的特異性，以酶作為標(biāo)記物，與已知抗體結(jié)合，但不影響其免疫學(xué)特性，然后將酶標(biāo)記物的抗體作為標(biāo)準(zhǔn)試劑來鑒定未知的抗原。酶聯(lián)免疫吸附檢測(cè)（enzymelinkedimmunosorbentassay，ELISA）是目前最常用的監(jiān)測(cè)方法。ELIAS是根據(jù)EIA的原理而發(fā)展的一種固相免疫技術(shù)，可供實(shí)驗(yàn)室和野外測(cè)試。

5 生物發(fā)光檢測(cè)技術(shù)

自然界中許多生物具有發(fā)光現(xiàn)象，如細(xì)菌、真菌、昆蟲等，發(fā)光菌是一類能運(yùn)動(dòng)的革蘭氏陰性兼性厭氧桿菌。從環(huán)境中選擇自身具有發(fā)射熒光特性的細(xì)菌作為指示菌，土壤中重金屬的存在會(huì)影響該指示菌的生理指標(biāo)，以其放射熒光的強(qiáng)度大小作為環(huán)境檢測(cè)的指標(biāo)。該發(fā)射熒光特性的細(xì)菌也可以用于對(duì)土壤中樟腦球和其他混合毒物的檢測(cè)。

目前，國外報(bào)道了以熒光細(xì)菌作為敏感材料的生物傳感器用于檢測(cè)污泥中的重金屬Z n和C u，結(jié)果靈敏直觀。在這些發(fā)光菌中催化生物發(fā)光反應(yīng)的酶稱為熒光脂酶，而編碼熒光脂酶的生物發(fā)光基因——l u x基因已全部得到克隆和表達(dá)。一些細(xì)菌長(zhǎng)期生活在含某種化學(xué)物質(zhì)的自然環(huán)境中，產(chǎn)生了適應(yīng)現(xiàn)象，細(xì)菌基因組中含對(duì)該化學(xué)物具有特異性的誘導(dǎo)基因及降解基因。將這些基因與l u x基因融合構(gòu)成重組體，在特異的化學(xué)物存在時(shí)產(chǎn)生誘導(dǎo)作用，啟動(dòng)誘導(dǎo)基因并導(dǎo)致l u x基因表達(dá)。構(gòu)成的基因工程菌可用來檢測(cè)環(huán)境中存在的萘、P C B、汞、苯系物、氮等特異的化學(xué)污染物，有重組體的發(fā)光與否就可得知某化學(xué)物是否存在。借助于適宜的載體將重組體導(dǎo)入宿主細(xì)菌將熒光基因作為一報(bào)告基因，可將其導(dǎo)入應(yīng)用基因工程微生物中，從而只需用過對(duì)光線的檢測(cè)就可對(duì)微生物在環(huán)境中的生長(zhǎng)、活性、分布等進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

與常規(guī)檢測(cè)方法比較，生物發(fā)光檢測(cè)技術(shù)靈敏度高、特異性強(qiáng)、檢測(cè)快速方面。如今生物發(fā)光檢測(cè)技術(shù)正與生物傳感器技術(shù)、細(xì)胞固定化技術(shù)以及計(jì)算技術(shù)緊密結(jié)合，內(nèi)容逐步完善，自動(dòng)化水平也日益提高。

6 生物芯片技術(shù)

生物芯片技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期以來影響最深遠(yuǎn)的重大科技進(jìn)展之一，其中基因芯片進(jìn)行的表達(dá)水平檢測(cè)可自動(dòng)、快速地檢測(cè)出成千上萬個(gè)基因的表達(dá)情況。在環(huán)境污染物的影響下，敏感生物個(gè)體細(xì)胞的基因表達(dá)豐度會(huì)發(fā)生相當(dāng)程度的變化，分析基因組D N A中的變化序列以篩選出D N A突變和多態(tài)性變化，尋找與正常表達(dá)的差異，單獨(dú)地或混合地確定毒物質(zhì)對(duì)敏感生物基因水平上的影響以及影響的程度，以此來檢測(cè)環(huán)境中的污染物及其生物效應(yīng)。

目前，環(huán)境科學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到將生物芯片技術(shù)引入環(huán)境科學(xué)家研究中的重大意義：“環(huán)境基因?qū)W”已成為國外基因?qū)W研究中的新概念和新方向，而生物芯片正是研究“環(huán)境基因?qū)W”的重要手段，能快速反映環(huán)境因素對(duì)人類基因的影響。國內(nèi)這方面的工作報(bào)道很少，但科技部和國家自然科學(xué)基金委都已經(jīng)將此列為前沿課題項(xiàng)目。

7 結(jié)語

迄今為止，現(xiàn)代生物技術(shù)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，由于受到生物材料和方法本身的限制，都存在一定的局限性。ELISA的靈敏度相對(duì)其他方法較高，當(dāng)對(duì)溫度的依賴性強(qiáng)，不便于在線檢測(cè)；生物發(fā)光檢測(cè)技術(shù)受熒光生物體本身生理狀況的限制較大而影響方法的重復(fù)性；PCR、芯片技術(shù)的應(yīng)用在于它的信息量遠(yuǎn)高于其他技術(shù)，但這需要建立大量的有關(guān)毒理基因信息庫。

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