微生物對水體污染的監(jiān)測研究

程希文

摘要 作為生物學(xué)方面的一項新技術(shù)，微生物監(jiān)測已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。該綜述對微生物監(jiān)測水污染的主要方法和重要技術(shù)做了簡要介紹，較為系統(tǒng)地總結(jié)了大腸桿菌、發(fā)光細菌等指示生物在環(huán)境監(jiān)測中的研究進展，并對微生物傳感器、PCR等技術(shù)的應(yīng)用方向進行了展望，以期為今后研究微生物對水體污染的生物監(jiān)測提供參考。

關(guān)鍵詞 環(huán)境監(jiān)測;微生物監(jiān)測;水體污染

中圖分類號：X83 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）03–0141–02

0 前言

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國水資源總量已達6 380億。但是在過去的30 a里，我國水環(huán)境污染和富營養(yǎng)化問題越來越嚴重[1]。2007年，太湖地區(qū)的大型藻類爆發(fā)事件更是令人觸目驚心，其直接影響了整個流域的可持續(xù)發(fā)展，并且給自然界乃至人類的生命和身體健康帶來了潛在的危害。正因如此，人類環(huán)境保護的意識正在逐步加強。

隨著現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的不斷進步，人類在水體污染防治方面的探索越來越深入，由于微生物細胞和水體環(huán)境之間的相互接觸具有極高的直接性和敏感度，因此微生物已經(jīng)逐漸發(fā)展成為水體污染防治監(jiān)測中一類非常重要的指示生物。

1 水質(zhì)檢測指標

水質(zhì)判斷是有依據(jù)的，水質(zhì)監(jiān)測的指標除了一般指標和水質(zhì)污染度指標外，還有水質(zhì)污染成分指標和生物指標。水質(zhì)的一般指標包括溫度、DO、色度、濁度等;水質(zhì)的污染度指標一般包括BOD、TOC等;水質(zhì)污染成分包括重金屬如Cr、Pb、Hg等及氰化物類;水質(zhì)的生物指標包括大腸桿菌、細菌總數(shù)等。這些具體指標與水質(zhì)密切相關(guān)，任何指標超過一定的范圍都會對水質(zhì)造成嚴重影響，導(dǎo)致水污染[2]。

2 應(yīng)用于環(huán)境中水體監(jiān)測的主要方法

現(xiàn)如今，對于水體污染的監(jiān)測主要有化學(xué)、物理和生物方法3種。其中，生物學(xué)檢驗方法又包括指示生物法、群落結(jié)構(gòu)法、生物測試法、殘毒測定法、細菌學(xué)檢驗法[3]，這些都被認為是可以判斷環(huán)境污染的重要方法。

2.1 細菌總數(shù)和糞便污染指示菌監(jiān)測水質(zhì)

目前最常見的一種生物監(jiān)測技術(shù)就是微生物監(jiān)測。進行微生物監(jiān)測時，把微生物群落放置在被監(jiān)測的水環(huán)境之中，根據(jù)微生物的生活習(xí)性與種群數(shù)量對水體受污染的程度進行量化。為了了解所測水體的受污染程度，檢測人員需對水體中的微生物的數(shù)量和頻率進行記錄[4]。在使用微生物監(jiān)測方法時，最常用的微生物主要是真菌、細菌、原生動物和小型海藻。以聚氨酯塑料為基質(zhì)，收集水中的微生物，然后根據(jù)微生物種群算法來計算水體中的微生物數(shù)量。最后，根據(jù)國家制定的統(tǒng)一微生物監(jiān)測標準來判斷水體的污染情況[5]。

糞便污染指示細菌是指示水體已被糞便污染的指示劑。根據(jù)專業(yè)人員的分析和測定結(jié)果，人及溫血動物的糞便是該類菌群的主要來源，因此一般認為采用大腸菌群作為指標較為合適。作為腸道中最常見也是最豐富的細菌種類之一，大腸菌群具有十分強的抗逆性，并且其在水中的數(shù)量與腸道中致病菌的數(shù)量呈現(xiàn)一定的相關(guān)性[6]。

2.2 發(fā)光細菌檢測水體中毒物

在傳統(tǒng)的生物監(jiān)測中，大多以水蚤、藻類或魚類等作為被測試的對象，往往具有實驗周期長、實驗過程繁瑣等缺點。為了彌補傳統(tǒng)方法的不足，人們研發(fā)了一種新型的生物毒性監(jiān)測方法——發(fā)光細菌法。

作為一類非致病的革蘭氏陰性兼性厭氧細菌，發(fā)光細菌內(nèi)部含有熒光素和熒光酶等發(fā)光物質(zhì)。在合適的條件下，選定的發(fā)光細菌菌株會發(fā)出恒定量的光作為代謝副產(chǎn)物，而接觸了有毒的物質(zhì)后，光的強度會迅速降低，降低的程度與有毒物質(zhì)的濃度成正比。該方法可以在2～5 h內(nèi)獲得數(shù)據(jù)，與96 h急性魚毒性測試相比，細菌測試在靈敏度方面比其他測試優(yōu)越，同時執(zhí)行更簡單、更快捷。單獨分析某種污染物毒性在實際操作中幾乎沒有意義，這是由于在實際情況中，混合廢水的污染物往往組成復(fù)雜。污染物之間的累加和拮抗作用，使得各種污染物毒性的簡單相加并不代表該廢水的綜合毒性。因此，綜合毒性可以通過發(fā)光細菌法來確定。

若要了解特定物質(zhì)對水體污染的影響，則需要采取更為具體的措施。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)光細菌法正在嘗試與光電技術(shù)和生物傳感技術(shù)相結(jié)合，以逐步實現(xiàn)在線監(jiān)測，為監(jiān)測水質(zhì)提供更多更先進的手段和方法。

3 微生物應(yīng)用于監(jiān)測水體污染的重要技術(shù)

雖然微生物監(jiān)測技術(shù)在準確表達特定污染水程度方面有待提高，但其在水污染處理的過程中仍然占有特殊的地位。

3.1 PCR技術(shù)

PCR技術(shù)利用DNA在體外具有“高溫變性”、“低溫復(fù)性”和“中溫延伸”的規(guī)律，而被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。該技術(shù)用于監(jiān)測水中病毒（如?？刹《镜龋?、致病菌（如霍亂弧菌等）、病原原生動物及病原蠕蟲（如蛔蟲等）等。PCR技術(shù)不僅運用廣泛，還可以提高檢測的速度，極大地提高了工作效率。

3.2 微生物傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)主要利用特異性識別所測變化的感應(yīng)裝置進行監(jiān)測，從而產(chǎn)生可測的信號。而微生物傳感器則是用活細胞作為監(jiān)測的系統(tǒng)，其最大的優(yōu)點便是作為一個單細胞的傳感器，可以最大面積地與污染物相接觸，真實直接地反映污染的危害。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，生物傳感器不僅可以用于檢測水質(zhì)的常規(guī)污染指標，還可以檢測某種或某一類有毒有害的污染物，如殺蟲劑、除草劑、重金屬等。

近年來，由于微生物傳感器技術(shù)可以提供靈敏、快速、簡潔、特定和低水平的檢測，已被廣泛用于檢測各種有毒物質(zhì)，例如在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域?qū)λw污染物進行檢測?，F(xiàn)如今用于微生物細胞傳感器的宿主細菌基本上是大腸桿菌。如果將它們連接到計算機提供數(shù)據(jù)，將進一步促進微生物傳感器的應(yīng)用。相信隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，它們將能夠更加真實地反映檢測到的物質(zhì)狀況。

3.3 酶免疫監(jiān)測的運用

酶免疫監(jiān)測技術(shù)通過檢測酶的方式，篩選出水體環(huán)境中的污染物，其主要是基于抗原抗體反應(yīng)的特異性。在酶免疫監(jiān)測技術(shù)中，酶主要用作標記，當它與已知抗體結(jié)合時，此類抗體可以用作一種標準化的試劑或利用酶的標記物來識別一些未知的抗原。在特定的使用過程中，可以對水樣進行測試，主要通過使用流動注射法進行。采用流動注射的方式把特異性抗體固定到專門的膜上，在某些溶液經(jīng)過膜后，可以對熒光產(chǎn)物進行熒光測量，及時地記錄每一項測量結(jié)果，并且在測試每個樣品時都要更換一個新的膜并繼續(xù)執(zhí)行。

4 微生物用于水體環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展趨勢

當前廣泛應(yīng)用于監(jiān)測飲用水中病原菌的方法即大腸桿菌指示法，其方便快速，但是仍會受糞菌群存活率等的影響。研究人員嘗試用噬菌體代替大腸桿菌來指示飲用水中病毒污染。水的質(zhì)量也可以通過用環(huán)氧樹脂玻璃纖維器或濾膜等多種方法鑒定水中病毒。

應(yīng)用最為廣泛的發(fā)光細菌是明亮發(fā)光桿菌，可用于監(jiān)測各種水體。氣體中的可溶性有毒物質(zhì)可以被吸收并溶解在溶液中，從而觀察對發(fā)光細菌的影響。試驗中一般采用明亮發(fā)光桿菌作為試驗菌種。中國學(xué)者曾利用從青海湖裸鯉體內(nèi)分離出的一株青?；【髟囼灳?，成功地制成了簡便、快速、廉價獨特的凍干菌粉產(chǎn)品。通過添加復(fù)蘇液幾分鐘激活后，在半小時內(nèi)便可以測量水質(zhì)的污染數(shù)據(jù)，十分方便。由于發(fā)光細菌在毒性環(huán)境中的生理代謝受到一定的抑制，發(fā)光信號也隨之降低，故人們又通過各種基因工程手段，制成了半特異性以及特異性的微生物細胞傳感器工程菌株。這種微生物細胞傳感器技術(shù)已經(jīng)被商業(yè)化開發(fā)，并廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的各個方面。

5 結(jié)語

水污染造成的危害與人類的生活息息相關(guān)，其引起的疾病也已受到人們的重視。水環(huán)境監(jiān)測是了解水環(huán)境現(xiàn)狀的重要手段，作為聯(lián)系水污染物與生物效應(yīng)之間的紐帶，微生物監(jiān)測技術(shù)不僅可以揭示環(huán)境樣品和生物體內(nèi)污染物的濃度，還可以反映污染物的毒性。它已經(jīng)成為了污染物暴露與影響的最靈敏指標。其對環(huán)境污染的探索和快速篩查、環(huán)境健康的風(fēng)險評估和污染物長期毒性效應(yīng)的早期預(yù)測具有重要意義，因此在環(huán)境監(jiān)測中顯得至關(guān)重要。由于微生物長期生活于自然環(huán)境之中，它們不但能對多種污染物做出綜合反映，而且能對污染物的歷史狀況做出反映，因此在水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中有必要加強微生物監(jiān)測分析。

參考文獻

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[4] 張雯，錢如嫣.生物監(jiān)測在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用效果[J].居舍，2018（18）：172.

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責(zé)任編輯：黃艷飛