海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的生物傳感技術(shù)

吳勇劍，張 永，苑克磊，劉曉飛

（1.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東 青島266061；2.國(guó)家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，遼寧 大連116015）

引言

21 世紀(jì)是一個(gè)利用海洋的世紀(jì)，中國(guó)更加重視在海洋資源可持續(xù)利用和可持續(xù)發(fā)展范圍內(nèi)保護(hù)海洋環(huán)境。特別是用于監(jiān)測(cè)和保護(hù)第三方海洋監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)的生物傳感技術(shù)，主要是基于生物污染物敏感元素的生物、化學(xué)和細(xì)胞反應(yīng)的海洋生物監(jiān)測(cè)技術(shù)。它們非常敏感，可能與生長(zhǎng)、繁殖、新陳代謝和生存等指標(biāo)直接相關(guān)，從而污染人口、社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)。評(píng)價(jià)和影響預(yù)測(cè)。許多傳感器（生物傳感器和其他類型的傳感器）已經(jīng)開發(fā)出來(lái)，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，這些傳感器非常具體，非常敏感。在復(fù)雜的系統(tǒng)中快速分析，并能在網(wǎng)上連續(xù)跟蹤，它廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、食品安全和監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。這些環(huán)境應(yīng)用是用于海洋監(jiān)測(cè)的生物傳感器的開發(fā)開始的探測(cè)環(huán)境。本文綜述了海洋生物傳感器在監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 生物傳感技術(shù)的發(fā)展

目前，在生物電子學(xué)領(lǐng)域，結(jié)合生物技術(shù)和電子技術(shù)，我們致力于生物傳感器的研發(fā)。生物傳感器將微生物固定在膜上，通過(guò)氧電極和二氧化碳電極的組合（將膜上的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)）形成一個(gè)類似的轉(zhuǎn)換器來(lái)測(cè)定化學(xué)物質(zhì)?，F(xiàn)在的生物傳感器的產(chǎn)品在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛地看到。主要用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的快速和代謝狀態(tài)的診斷。在制藥和食品工業(yè)等領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)生物傳感器的快速監(jiān)控，受到重視和發(fā)展。

生物傳感器在環(huán)境污染物和毒物評(píng)估中具有特殊的適用性和參考作用，并且還可以利用矩陣特異性等性質(zhì)對(duì)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行定量。國(guó)外成功使用生物傳感器監(jiān)測(cè)廢水中毒物的生物氧要求量。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院武漢病毒研究所等正在進(jìn)行這方面的研究。從活性污泥中得到的微生物被固定在氧電極表面，設(shè)計(jì)了呼吸性測(cè)定方式的生物傳感器可以在20 分鐘以內(nèi)顯示廢水等生物氧要求量的值。

除了生物需要氧氣外，海洋環(huán)境中氨、硝酸鹽和亞硝酸鹽等的含量對(duì)海洋生物的生存有直接影響。這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)了在廢水處理等場(chǎng)合利用生物傳感器的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)剛剛開始研究氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽等生物傳感器在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用等。這種全細(xì)胞生物傳感器主要用于寬污染光譜的環(huán)境監(jiān)測(cè)。將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原菌與氧、氫電極結(jié)合，研制了一種用于污染物檢測(cè)的生物傳感器。問(wèn)題是選擇適合海洋環(huán)境的細(xì)菌等微生物。生物傳感器在提供新的、實(shí)用的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段的同時(shí)，還具有低成本、容易制作、在線檢查和測(cè)試系統(tǒng)大幅度簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)，因此受到海洋環(huán)境科學(xué)家的關(guān)注。

在環(huán)境物理監(jiān)測(cè)中，迅速獲得一般環(huán)境信息比檢測(cè)特別污染更為重要。因此，除了上述生物傳感器外，國(guó)家海洋環(huán)境觀測(cè)中心開發(fā)了一種生物生理傳感器，用于監(jiān)測(cè)污染，包括海洋環(huán)境，該傳感器利用兩種海洋貝殼的生物生理特性，如活模具。用于監(jiān)視環(huán)境模具壽命約為10年，是世界上最快的物種之一。在海水溶解的氧氣不到4毫克/升和氮含量低的惡劣條件下，這種物質(zhì)廣泛分布，具有抗藥性，并可在短期內(nèi)生活。超過(guò)400 毫克/立方米。同時(shí)，它每24 升海水的過(guò)濾能力很強(qiáng)，每隔45.5 升。我國(guó)海洋環(huán)境污染的生物監(jiān)測(cè)選擇模具為生物指示性數(shù)字生物生理控制傳感器與檢測(cè)振動(dòng)、紊亂等變化的其他傳感器粘合在乙烯盤上。并將封閉信號(hào)和其它模具檢測(cè)信號(hào)發(fā)送到微機(jī)上，用于處理統(tǒng)計(jì)，用于研究和分析海洋環(huán)境和其他污水源的水污染。

生物傳感器將提供技術(shù)工具和有利條件，以發(fā)展迅速、高靈敏度、低成本和復(fù)原的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。也許在未來(lái)使用更多的生物傳感器監(jiān)測(cè)海洋污染，以促進(jìn)海洋的開發(fā)和利用。

2 生物傳感技術(shù)在檢測(cè)中的具體體現(xiàn)

2.1 營(yíng)養(yǎng)鹽的檢測(cè)

由于氮、磷、硅等植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度過(guò)高，水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)加速水生生物特別是藻類的大規(guī)模擴(kuò)散，改變生物群落結(jié)構(gòu)，破壞生物多樣性，破壞環(huán)境質(zhì)量平衡，早期監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)物含量，特別是硝酸銨和磷酸銨的含量，都是溢油預(yù)警的關(guān)鍵，但沒(méi)有進(jìn)一步報(bào)告硝酸鹽、硝酸鹽酶和微生物探針。用于檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的亞硝酸鹽酶?jìng)鞲衅髦饕褂眠€原硝酸鹽和亞硝酸鹽，受可用性和組成限制，硝酸鹽和還原性固氮酶可從許多生物源中分離出來(lái)并用于此目的。

硝酸鹽抗性細(xì)菌（不含氮氧化物）固定在傳感器中硝酸鹽抗性細(xì)菌還原硝酸鹽氮氧化物電化學(xué)檢測(cè)該傳感器在淡水和海水中與亞硝酸鹽和硝酸鹽反應(yīng)良好，目前用于鹽檢測(cè)的生物傳感器很少。銨離子選擇電極和傳感器通常用于銨鹽檢測(cè)化學(xué)。由于海水中干擾離子濃度較高，這些傳感器不能直接用于海水檢測(cè)。目前文獻(xiàn)中沒(méi)有報(bào)道非硅酸鹽離子傳感技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

2.2 生物物種檢測(cè)

生物傳感器及其相關(guān)生物傳感器的迅速發(fā)展，擴(kuò)大了其在微生物多相分類環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用，特別是在鑒別物種和適宜行為方面發(fā)揮著重要作用，積極參與分子系統(tǒng)和生物資源的開發(fā)，致力于微生物多相分類環(huán)境科學(xué)的研究新生物群的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，特別是新的生物群，也發(fā)現(xiàn)了一些未知的環(huán)境，作為鑒定技術(shù)進(jìn)行使用。

該系統(tǒng)的主要目標(biāo)是利用基因技術(shù)來(lái)確定海洋微生物的作用。遠(yuǎn)程探測(cè)含水層微生物可以實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別分子。該系統(tǒng)的自動(dòng)開發(fā)不僅節(jié)省了大量的資金，而且大大降低了海洋生物研究的成本，為海洋生物檢測(cè)研究提供了技術(shù)支持。

2.3 污染物的檢測(cè)

海洋污染物可以通過(guò)人類活動(dòng)，以直接或間接的方式進(jìn)入海洋環(huán)境之中，引起物質(zhì)和能量的影響。許多海洋有害污染物在很大范圍內(nèi)，我們需要嚴(yán)格控制這些污染物的排放。含有石油和殺蟲劑、防污材料、重金屬離子和毒素。

生物傳感器已開發(fā)出一種傳感系統(tǒng)，以挑戰(zhàn)未來(lái)對(duì)海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備的需求預(yù)測(cè)和觀察，如營(yíng)養(yǎng)鹽、抗生素試劑、殺蟲劑、激素干擾和分子生物學(xué)分類系統(tǒng)。用于海水和海水中有機(jī)磷和氨基酸鹽的檢測(cè)，食品用乙酰膽堿酯在絲網(wǎng)印刷電極上的應(yīng)用，從而降低了批量生產(chǎn)和使用成本一次性的多壁碳納米管和經(jīng)分層自組裝技術(shù)改性的乙酰膽堿酯酶?jìng)鞲衅鳈z測(cè)到水中的氨基甲酸酯。大多數(shù)生物傳感器檢測(cè)殺蟲劑是基于低成本抑制乙酰膽堿的生物傳感技術(shù)。

此外，其他免疫傳感器可用于檢測(cè)殺蟲劑，例如含有殺蟲劑的免疫傳感器。以及檢測(cè)有機(jī)提取物和水樣品的方法，使用細(xì)胞傳感器檢測(cè)這些物質(zhì)不僅更加困難，而且還提供了生物利用率和生理反應(yīng)方面的信息，與酶?jìng)鞲衅鞑煌?，只?duì)一種物質(zhì)作出反應(yīng)，通常受到重金屬的干擾，這是一個(gè)負(fù)面的方面。

海洋監(jiān)測(cè)的另一個(gè)重要方向是受海洋環(huán)境和沙眼鉆井液污染的氣田的排水（也稱為石油污染）。一般來(lái)說(shuō)，水提取成分非常復(fù)雜，含有消泡劑。生物殺蟲劑、樹脂和乳狀液對(duì)這些復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)生一系列急性毒性作用或柱狀物，如果采用相關(guān)的化學(xué)或物理技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，則相對(duì)靈敏、準(zhǔn)確、特異。然而，目前關(guān)于生物相容性、污染物對(duì)生物系統(tǒng)的影響和環(huán)境毒性的報(bào)道還不充分，生物檢測(cè)系統(tǒng)非常適合微生物的一般毒性試驗(yàn)，提供了一系列有關(guān)微生物的數(shù)據(jù)。

另一種廣泛污染的海水和沉積物污染物是防止污染的物質(zhì)。有機(jī)錫化合物是丁基錫（TBT）。據(jù)報(bào)道，某些濃度的有機(jī)酸對(duì)水生生物有害，這是國(guó)際海事組織禁止的。雖然有機(jī)錫中毒濃度較低，但在目前正在檢測(cè)的生物傳感器中，錫的最低檢出限范圍內(nèi)的最低毒性濃度無(wú)法檢測(cè)，有待進(jìn)一步研究。在基于細(xì)菌生物發(fā)光的生物傳感器之前，TBT 的檢測(cè)限值為26mg/L，從而將系統(tǒng)D 中的DBT（過(guò)氧化氫）的檢測(cè)限制為0.03pg/L。檢測(cè)生物傳感器的TBT 檢測(cè)限為325ng/L，這是報(bào)告的最低檢測(cè)限值。因此，有必要進(jìn)一步改進(jìn)有機(jī)錫生物傳感器的檢測(cè)技術(shù)。

2.4 發(fā)光菌水污染監(jiān)測(cè)傳感器

隨著海洋工業(yè)的發(fā)展，海洋污染物的數(shù)量也在迅速增加。許多有毒污染物流入湖泊、河流和海洋，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)造成環(huán)境和生物破壞，這給海洋環(huán)境帶來(lái)了更大的壓力，使得很難確定水生生物和其他污染物的實(shí)際毒性，因此，水生生物都是使用和毒理學(xué)的對(duì)環(huán)境樣品進(jìn)行測(cè)試。良好的環(huán)境雖然急性毒性試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高，但不是常規(guī)方法，但魚類毒性試驗(yàn)是最常用的常規(guī)方法，由于試驗(yàn)周期長(zhǎng)、操作繁瑣，受魚類試驗(yàn)條件的限制，難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)。電致發(fā)光法測(cè)定的細(xì)菌毒性與其他水質(zhì)指標(biāo)一致，可以反映水體的毒性。

目前，我國(guó)水污染存在突發(fā)性污染的特點(diǎn)，主要由事故排放和非法排放引起。隨著污染物濃度的增加，整個(gè)流域的生命周期將逐漸消失。

3 生物傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用

環(huán)境監(jiān)測(cè)中的生物傳感器教學(xué)是通過(guò)穩(wěn)定、檢測(cè)速度和生物檢測(cè)技術(shù)的再利用提高環(huán)境監(jiān)測(cè)水平和質(zhì)量的有效手段。

3.1 生物傳感技術(shù)應(yīng)用有毒物質(zhì)的檢測(cè)

環(huán)境中有毒物質(zhì)的存在，不僅影響環(huán)境的穩(wěn)定，也影響著人們的身心健康。生物檢測(cè)技術(shù)作為有毒物質(zhì)監(jiān)測(cè)的一部分，可以在科學(xué)上提高有毒物質(zhì)檢測(cè)的效率和質(zhì)量。環(huán)境科學(xué)檢測(cè)環(huán)境中有毒物質(zhì)的生物檢測(cè)技術(shù)主要是以大腸桿菌為基礎(chǔ)的細(xì)菌呼吸活性的釋放指標(biāo)保護(hù)區(qū)環(huán)境有毒物質(zhì)影響細(xì)菌的呼吸能力和呼吸效果里爾生物傳感器被放置在為了提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的有效性和敏感性，使環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果更可靠，應(yīng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)確定有毒物質(zhì)的等級(jí)和毒性，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 農(nóng)藥檢驗(yàn)

殺蟲劑是減少植物蠕蟲的有效手段，但作為其有效使用的一部分，過(guò)量的殺蟲劑會(huì)隨著水流而污染水體的其余部分。水環(huán)境監(jiān)測(cè)框架生物識(shí)別技術(shù)用于檢測(cè)各種農(nóng)藥并獲取硫中農(nóng)藥的信息。在水農(nóng)藥檢測(cè)中，農(nóng)藥的主要活性物質(zhì)乙酰膽堿酯酶生物傳感器對(duì)水中農(nóng)藥濃度的測(cè)定，提高了測(cè)定效率、準(zhǔn)確度和可靠性，并采用了環(huán)境監(jiān)測(cè)磷根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，可以降低成本。

3.3 表面活性物質(zhì)檢查

表面活性物質(zhì)不僅造成水體大面積污染，還會(huì)在水面產(chǎn)生大量氣泡，并大量減少人體內(nèi)的含氧量，大量動(dòng)植物死亡，影響環(huán)境的健康和可持續(xù)發(fā)展。為了提高環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量，采用生物傳感技術(shù)對(duì)表面活性物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中主要利用LAS 對(duì)細(xì)菌的呼吸作用，有效地判斷表面活性物質(zhì)的濃度。利用生物傳感技術(shù)檢測(cè)表面活性物質(zhì)，有利于提高檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)效果，降低成本，有利于提高質(zhì)量監(jiān)測(cè)水平，為水資源保護(hù)提供參考。

3.4 微生物數(shù)量檢測(cè)

微生物的數(shù)量會(huì)影響環(huán)境。當(dāng)微生物數(shù)量超標(biāo)時(shí)，就會(huì)影響環(huán)境。生物傳感技術(shù)被用來(lái)測(cè)量生物體的數(shù)量。主要通過(guò)電極和輔助設(shè)備的微生物進(jìn)行測(cè)定。有效地提高了微生物數(shù)量的檢測(cè)效率，縮短了檢測(cè)時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞和環(huán)境污染，特別是資源和沿海地區(qū)的污染，嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，甚至威脅到我們未來(lái)的生存、環(huán)境保護(hù)和發(fā)展。監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境是下世紀(jì)初一項(xiàng)緊迫而艱巨的任務(wù)，在未來(lái)保護(hù)海洋環(huán)境方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，化學(xué)和生物技術(shù)將發(fā)揮關(guān)鍵作用。環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境保護(hù)和污染控制的重要前提?？紤]到需要改進(jìn)環(huán)境質(zhì)量環(huán)境賬戶，并通過(guò)檢測(cè)和預(yù)防環(huán)境污染不斷改變環(huán)境監(jiān)測(cè)的質(zhì)量和有效性，環(huán)境監(jiān)測(cè)組織繼續(xù)尋找一種有效的方法來(lái)提高測(cè)試的效率和質(zhì)量。生物傳感器技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用降低了檢測(cè)成本。同時(shí)使結(jié)果更加現(xiàn)實(shí)和有效，滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，幫助保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)創(chuàng)造健康、綠色和可持續(xù)的環(huán)境。