環(huán)境監(jiān)測工作中微生物傳感技術(shù)的應(yīng)用

張瑞霞　李莉　王宇

摘 要：在低碳經(jīng)濟(jì)下，環(huán)境管理工作面臨著較高的要求。如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的在線監(jiān)測與分析成為環(huán)境監(jiān)測的一項(xiàng)重要研究要點(diǎn)。隨著傳感技術(shù)的進(jìn)一步完善，傳統(tǒng)的化驗(yàn)式數(shù)據(jù)收集方法已經(jīng)無法與發(fā)展相滿足，從而向人工智能方法的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變，提升數(shù)據(jù)的質(zhì)量水平與收集效率，運(yùn)用生物傳感技術(shù)則對環(huán)境污染及監(jiān)督環(huán)境問題的過程產(chǎn)生有效簡化，作為未來環(huán)境監(jiān)測的主要方向得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；微生物傳感技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號：X84 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）23-0066-02

1 環(huán)境監(jiān)測的意義

通過加強(qiáng)我國環(huán)境監(jiān)測軟硬件的建設(shè)力度，使各種環(huán)境污染因子的監(jiān)測構(gòu)成一定的監(jiān)測能力，對環(huán)境管理的強(qiáng)化產(chǎn)生一定的積極作用。將環(huán)境管理的檢測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，與環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)監(jiān)督與支持產(chǎn)生直接聯(lián)系。若不具備環(huán)境監(jiān)測，則無法實(shí)現(xiàn)有效管理，更別說管理的科學(xué)化。作為污染動向的掌握及污染危害預(yù)防的重要環(huán)節(jié)，環(huán)境監(jiān)測是環(huán)保工作中的“尖兵”，對環(huán)境管理的加強(qiáng)、環(huán)保政策與法規(guī)的制定以及經(jīng)濟(jì)的建設(shè)都產(chǎn)生了極為重要的作用。

2 生物傳感技術(shù)的工作原理

生物傳感技術(shù)的構(gòu)成主要包括三大部分：物理化學(xué)信號傳感器、電子信號處理器以及生物敏感元件。現(xiàn)階段，生物傳感技術(shù)有在線檢測和連續(xù)監(jiān)測的功能，并對環(huán)境監(jiān)測中傳感器技術(shù)的應(yīng)用范圍實(shí)施引導(dǎo)及拓展。生物傳感技術(shù)的工作原理是通過物理傳感器將生物敏感元件型號和特異性向聲、光、電等易監(jiān)測的信號轉(zhuǎn)變。從間接過程中對監(jiān)測物質(zhì)信息進(jìn)行獲取。通過分析不同角度，也有各不相同的物理傳感器構(gòu)成分類。生物傳感器包括：安培型、電位型、阻抗型傳感器以及聲波。以轉(zhuǎn)換對象進(jìn)行區(qū)分，生物傳感器的類型主要包括NH3、CO2、O2、PH。根據(jù)生物敏感元件又可劃分為微生物、免疫以及DNA傳感器。不同的傳感器類型則會有不同的環(huán)境監(jiān)測物質(zhì)反應(yīng)狀況。

3 環(huán)境監(jiān)測中微生物傳感技術(shù)的應(yīng)用

3.1 監(jiān)測有毒物質(zhì)

Cellsens生物傳感器則是對該種監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行運(yùn)用而發(fā)展出來的一種生物傳感器，該技術(shù)是將大腸桿菌的毒性分析系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，衡量標(biāo)準(zhǔn)為細(xì)菌呼吸活動，污染物對細(xì)菌的呼吸作用造成影響，可根據(jù)生物傳感器的電流大小的改變對污染物毒性的高低進(jìn)行判斷，Cellsens生物傳感器在廢水中已經(jīng)得到應(yīng)用。

3.2 監(jiān)測農(nóng)藥等物質(zhì)

所謂農(nóng)藥類物質(zhì)就是指除草劑、殺昆蟲劑、殺真菌劑、植物生長調(diào)節(jié)劑以及脫葉劑等農(nóng)藥。在大氣、土壤、水、植物及食品中，農(nóng)藥作為一種廣泛存在的環(huán)境污染物得到應(yīng)用。除草劑的運(yùn)用不僅有有機(jī)化合物存在，而且還包含著無機(jī)物質(zhì)；殺真菌劑具有含硫化合物、有機(jī)化合物和含銅化合物；殺昆蟲記中則具有氧磷、馬拉硫磷等有機(jī)磷化合物。該類物質(zhì)都會對人體造成危害，引發(fā)人體造血功能、呼吸道、免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)損傷，甚至?xí)袊?yán)重的致癌現(xiàn)象。目前，氣相色譜法是最常用的殺蟲劑檢測方法，但某些殺蟲劑有低揮發(fā)性、高極性以及對熱不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，很難對相色譜法進(jìn)行運(yùn)用從而實(shí)施檢測。但有機(jī)磷農(nóng)藥是在低濃度下運(yùn)用的一種特定酶活性的抑制，有機(jī)磷農(nóng)藥濃度對抑制程度產(chǎn)生影響，因此設(shè)計(jì)了酶傳感器間接測定了有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度。其中酶傳感器的作用原理是在膽堿酯酶的作用下，乙酰膽堿通過分解形成乙酸和膽堿，隨后膽堿別膽堿氧化酶氧化構(gòu)成甜菜堿并對H2O2進(jìn)行釋放，農(nóng)藥和膽堿酯酶有作用產(chǎn)生時，會有容易水解的非共價的中間復(fù)合物產(chǎn)生，同時由于乙酰膽堿酯酶剛度敏感于有機(jī)磷農(nóng)藥，因此測定反應(yīng)相PH變化會有酶活受抑情況產(chǎn)生，間接推算出有機(jī)磷農(nóng)藥濃度，從而監(jiān)測藥物的危害性。

3.3 監(jiān)測表面活性物質(zhì)

表面活性物質(zhì)會造成嚴(yán)重的水污染產(chǎn)生，例如在水面上直鏈烷基苯磺酸鈉（LAS）會有泡沫產(chǎn)生，消耗氧。運(yùn)用LAS對菌、氧電極產(chǎn)生降解而形成的生物傳感器，能夠?qū)﹃庪x子表面活性劑實(shí)施檢測。陰離子表面活性劑對LAS降解菌的呼吸作用產(chǎn)生影響，從而影響了溶解氧的變化，通過對氧電極的電流變化進(jìn)行運(yùn)用，從而將表面活性物質(zhì)的濃度得以測定。

3.4 檢測微生物數(shù)量

作為水質(zhì)評價的重要標(biāo)準(zhǔn)，微生物數(shù)量發(fā)揮著一定的作用。伏安型細(xì)菌總數(shù)微生物傳感器可通過電極和其輔助裝置對數(shù)量超過30 000個的細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行測定，通常情況下時間為半個小時左右，先將細(xì)菌懸濁液抽濾成細(xì)菌阻留膜狀，在彈性電解池底部對電極和濾過膜實(shí)施固定，在電極上修飾阻留膜，對伏安曲線實(shí)施記錄，通過對照保準(zhǔn)曲線即可對細(xì)菌總數(shù)得出。而運(yùn)用傳統(tǒng)的平板菌落計(jì)數(shù)法對細(xì)菌數(shù)量的測定則會有較大的主管誤差存在，而且測定運(yùn)用的時間較長，準(zhǔn)確程度較低。

3.5 測定生化需氧量

生化需氧量（BOD）是指水中有機(jī)物等需要氧的污染物質(zhì)含量的一個綜合指標(biāo)。BOD生物傳感器的電極是由微生物的單一菌種或混合種群構(gòu)成，由于水中有不同的BOD數(shù)量，使得水中的微生物存在不同的呼吸方式，導(dǎo)致出現(xiàn)不同的電極電流信號，通過輸出放大電信號，則會獲取水中BOD的數(shù)量。通常情況下，運(yùn)用傳統(tǒng)的稀釋法對水中細(xì)菌的數(shù)量進(jìn)行檢測時，不僅有復(fù)雜的操作工序共存，而且用時較長，一般達(dá)到5 h左右。而生物傳感器的運(yùn)用則能在10～15 min內(nèi)對細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行確定，還能進(jìn)行在線檢測，及時反饋水質(zhì)。

3.6 在廢水水質(zhì)監(jiān)測中生物傳感器的應(yīng)用

作為污水處理廠普遍存在的一項(xiàng)難題，廢水水質(zhì)的監(jiān)測主要是由于水環(huán)境中存在著較多的污染物，且具有復(fù)雜的成分，含量具有痕量的特點(diǎn)，這就需要運(yùn)用切實(shí)有效的提取、分離、富集與分析的方法進(jìn)行運(yùn)用。若將所有過程中的在線監(jiān)測進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，則會存在一定的難度，隨著生物傳感技術(shù)的投入使用，使在線監(jiān)測廢水生物處理過程得到更好的支持，使自動監(jiān)測得以實(shí)現(xiàn)。例如，在高級環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)對生物傳感器進(jìn)行運(yùn)用，能夠?qū)λ写嬖诘沫h(huán)境污染物實(shí)施監(jiān)測，在細(xì)胞膜生物傳感器內(nèi)，結(jié)合被運(yùn)輸物質(zhì)存在良好的選擇功能，因此細(xì)胞可通過環(huán)境對相應(yīng)物質(zhì)實(shí)施主動獲取，使其發(fā)揮良好的生理效應(yīng)，并采用型號轉(zhuǎn)換器進(jìn)行實(shí)時測定。其次，為了使生物傳感器的應(yīng)用性能得到更好發(fā)揮，還可對自動裝置進(jìn)行運(yùn)用，使生物傳感器的重負(fù)檢測水平與敏感度得到提升，特別是在地下水監(jiān)測和工業(yè)廢水處理中的監(jiān)測得到適用。

3.7 監(jiān)測大氣環(huán)境

3.7.1 監(jiān)測SO2

在SO2監(jiān)測中采用肝微粒體和氧電極相結(jié)合制成的生物傳感器，通過測定雨水中的亞硫酸鹽的濃度，使SO2的含量得以體現(xiàn)。根據(jù)傳感器內(nèi)部的微粒體對亞硫酸鹽是時候氧化，與此同時還對一定的氧實(shí)施消耗，使氧電極周圍溶解氧濃度得到降低，導(dǎo)致傳感器電力出現(xiàn)相同變化，對亞硫酸鹽濃度實(shí)施間接反應(yīng)，存在良好的重現(xiàn)性和較高的準(zhǔn)確度等特點(diǎn)。

3.7.2 監(jiān)測NOx

在監(jiān)測NOx時，應(yīng)采用氧電極、固定化硝化性以及多孔砌體滲透膜相結(jié)合而制成的一種生物傳感器。作為唯一的硝化細(xì)菌能源，亞硝酸鹽的增加會使傳感器的呼吸活性得到增加，在呼吸過程中對氧電極進(jìn)行溶解，監(jiān)測濃度的降低量，根據(jù)該內(nèi)容將亞硝酸鹽含量得到間接的反映，使大氣所含的NOx的含量得以體現(xiàn)。

4 結(jié) 語

綜上所述，生物傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用能夠?qū)⒎治鲂实玫捷^大程度的提升，合理控制成本，有效確定環(huán)境監(jiān)測的諸多因素，同時可支持自動化在線監(jiān)測與應(yīng)急監(jiān)測的需求，使其作為未來環(huán)境監(jiān)測的主要發(fā)展目標(biāo)，在環(huán)境監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 武卉蕊.環(huán)境檢測在環(huán)境影響評價中的分析[J].科技致富向?qū)В?012，（12）.

[2] 趙旭升.用于環(huán)境監(jiān)測的生物傳感技術(shù)分析[J].吉林農(nóng)業(yè)，2012，（9）.