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

山東厚德環(huán)?？萍加邢薰?左廣濤

環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境保護(hù)工作的前提基礎(chǔ)，為制定環(huán)保措施提供數(shù)據(jù)支持，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染物動(dòng)向，以便盡快采取防治手段。隨著生命科學(xué)等科技的發(fā)展應(yīng)用，環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也獲得了新的助力。現(xiàn)代生物技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，具有成本低、對(duì)環(huán)境破壞小、作用持久等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮了重要作用。目前，常用的現(xiàn)代生物技術(shù)共有六種類型，相關(guān)研究部門還在不斷研發(fā)新的技術(shù)應(yīng)用方式，以及對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化探索。

一、環(huán)境監(jiān)測(cè)中現(xiàn)代生物技術(shù)概述

（一）現(xiàn)代生物技術(shù)定義

現(xiàn)代生物技術(shù)的通俗說(shuō)法是生物工程，它是一種多學(xué)科綜合性極強(qiáng)的技術(shù)，建立在包括細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)以及免疫學(xué)等在內(nèi)的現(xiàn)代生命科學(xué)基礎(chǔ)之上，對(duì)電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及工程技術(shù)等進(jìn)行了綜合利用。通過(guò)有機(jī)生物或有機(jī)物質(zhì)，人為地使其發(fā)生性狀改變，從而制造出計(jì)劃中的預(yù)期產(chǎn)品。作為一種高新技術(shù)，它有敏銳的反應(yīng)、極高的精準(zhǔn)度和簡(jiǎn)便易行的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，非常適用于各類監(jiān)測(cè)作業(yè)。

（二）現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）經(jīng)濟(jì)實(shí)用

較之環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)技術(shù)，引入現(xiàn)代生物技術(shù)后可大幅節(jié)約作業(yè)成本，具有非常好的經(jīng)濟(jì)適用性。生物監(jiān)測(cè)觀察的對(duì)象包括生物群落、種群以及個(gè)體，記錄它們的生物指標(biāo)及其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，以此為據(jù)對(duì)環(huán)境質(zhì)量做出合理分析。環(huán)境監(jiān)測(cè)觀察類型多為微生物或植物，它們須具備多種多樣的類型，且生長(zhǎng)繁衍較快，須容易發(fā)現(xiàn)其聚集區(qū)，類株須極易尋找且不用經(jīng)費(fèi)開支，可達(dá)到壓縮成本、經(jīng)濟(jì)適用的目的。

（2）破壞性弱，連續(xù)性強(qiáng)

環(huán)境監(jiān)測(cè)引入現(xiàn)代生物技術(shù)，由生物體本身提供監(jiān)測(cè)素材和數(shù)據(jù)，植物葉子、微生物群落以及動(dòng)物糞便等都在此列，這種取材方式不會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)或生物帶來(lái)任何實(shí)質(zhì)性損害。除此之外，現(xiàn)代生物技術(shù)的連續(xù)性非常高，在環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)作業(yè)中可實(shí)現(xiàn)不間斷監(jiān)測(cè)作業(yè)。在環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)模式中，定期采樣是主要作業(yè)方式，它的即時(shí)性很強(qiáng)，片段性也很高，最終反映只是采樣期間的污染信息。利用現(xiàn)代生物技術(shù)，可隨時(shí)隨地采集環(huán)境信息，只要生物體在該區(qū)域生存，它所反映出的環(huán)境信息，就能準(zhǔn)確反映環(huán)境的變化過(guò)程及程度。

（3）反應(yīng)靈敏，準(zhǔn)確度高

類型不同的生物各自擁有差異巨大的自身結(jié)構(gòu)，其中的某些生物能敏銳感知環(huán)境變化。利用它們，可對(duì)污染物進(jìn)行速度極快的甄別，這是環(huán)境監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)模式完全做不到的。技術(shù)人員觀察、記錄以及整理這些環(huán)境和生物的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)對(duì)生物積累和富集的有效利用，切實(shí)提升了污染物甄別的靈敏度，環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量和效率也進(jìn)一步提高。而且環(huán)境監(jiān)測(cè)引入現(xiàn)代生物技術(shù)能確保精準(zhǔn)度。環(huán)境監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)模式的監(jiān)測(cè)對(duì)象是特例或個(gè)體，還須設(shè)置特定條件。現(xiàn)代生物技術(shù)監(jiān)測(cè)的是整個(gè)種群，記錄的也是群體在環(huán)境變化中的反應(yīng)，極大豐富了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，環(huán)境質(zhì)量評(píng)估結(jié)論更客觀精準(zhǔn)。

二、現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)中的生物技術(shù)

（一）PCR技術(shù)

PC R技術(shù)就是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)，它通過(guò)對(duì)DNA片段進(jìn)行截取，由體外完成合成，這種技術(shù)非常適用于監(jiān)測(cè)環(huán)境有害生物。利用這種技術(shù)，還可監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境生存的特殊種群，同時(shí)還可跟蹤監(jiān)測(cè)基因工程涉及的菌株或基因表達(dá)。利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)基因突變分子水平級(jí)別的快速分析，充分體現(xiàn)技術(shù)自身專一靈敏的優(yōu)勢(shì)，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)作用巨大。

（二）生物發(fā)光監(jiān)測(cè)技術(shù)

這種技術(shù)在現(xiàn)代生物技術(shù)類型中的地位非常重要。大千世界生物種群豐富，一些生物自帶發(fā)光屬性。舉例來(lái)說(shuō)，細(xì)菌易感于土壤重金屬元素，可結(jié)合含量高低決定發(fā)光強(qiáng)弱?，F(xiàn)代生物技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)光強(qiáng)度判定重金屬污染程度，這種環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)方式靈敏度和效率都很高，且操作簡(jiǎn)便易行。

（三）生物酶技術(shù)

生物酶技術(shù)有兩種分類，第一，生物酶抑制技術(shù)。環(huán)境中的污染物自身特性，使它體外對(duì)某種生物酶產(chǎn)生抑制效果，再以適用顯色劑對(duì)環(huán)境污染物進(jìn)行含量或有無(wú)的監(jiān)測(cè)；第二，酶免疫測(cè)定技術(shù)?？贵w抗原相互之間會(huì)有特殊反應(yīng)，該技術(shù)就是利用這種關(guān)系完成環(huán)境監(jiān)測(cè)。環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用生物酶技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：第一，這種技術(shù)充分利用加快有機(jī)物降解速度來(lái)提高污染物的處理效率，取得良好效果；第二，這種技術(shù)讓酶與微生物充分結(jié)合，微生物得以更好適應(yīng)環(huán)境，提升了這種技術(shù)的適用性；第三，這種技術(shù)無(wú)須過(guò)高成本投入，有很強(qiáng)的針對(duì)性，且綠色環(huán)保，有利于促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

（四）生物芯片技術(shù)

利用生物芯片技術(shù)，可快速監(jiān)測(cè)環(huán)境中的基因表達(dá)。生物在環(huán)境中受到污染物作用，細(xì)胞基因表達(dá)會(huì)有變化產(chǎn)生。生物芯片技術(shù)就是通過(guò)監(jiān)測(cè)這種效應(yīng)來(lái)發(fā)揮作用。這種技術(shù)是把作用各異的探針固定于芯片，依據(jù)不同種類可分為組織、基因和蛋白質(zhì)等芯片，它們?cè)谏镄酒夹g(shù)中起到載體作用。以它們?yōu)榛A(chǔ)分析細(xì)胞基因組，能對(duì)遺傳物質(zhì)的突變和多態(tài)變化進(jìn)行精準(zhǔn)篩選和利用，推動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)更好發(fā)展。利用這種技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)污染物對(duì)環(huán)境及環(huán)境中的人與動(dòng)植物污染狀況的快速監(jiān)測(cè)。

（五）生物傳感技術(shù)

生物傳感技術(shù)的誕生得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，它的技術(shù)特點(diǎn)在于高度集成和自動(dòng)化。生物傳感能讓生物反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，測(cè)試生物組和監(jiān)測(cè)對(duì)象之間作用的關(guān)聯(lián)性。監(jiān)測(cè)對(duì)象的生物反應(yīng)，被電子元件捕捉后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)被電子設(shè)備接收并識(shí)別，進(jìn)而研究分析，達(dá)到控制監(jiān)測(cè)對(duì)象的目的。這種技術(shù)的應(yīng)用，有利于環(huán)境監(jiān)測(cè)更好地實(shí)現(xiàn)整體進(jìn)步。

（六）金標(biāo)免疫速測(cè)技術(shù)

金標(biāo)免疫速測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代生物技術(shù)中占有重要地位。作為一種新興的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，它的誕生是多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)共同促進(jìn)的結(jié)果，對(duì)飼料添加劑和牛奶中抗生素等物質(zhì)的殘留監(jiān)測(cè)非常適用，同時(shí)對(duì)農(nóng)藥殘留的監(jiān)測(cè)也很有效。這些方面的監(jiān)測(cè)，在金標(biāo)免疫速測(cè)技術(shù)的加持下，可確保結(jié)果的迅速得出，并使其準(zhǔn)確性得到有效保障。同時(shí)這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還在于成本投入很低，具有極強(qiáng)的安全穩(wěn)定性和特異性，一經(jīng)問(wèn)世即獲得普遍歡迎，不僅環(huán)境監(jiān)測(cè)中有廣泛用途，同時(shí)還得到社會(huì)各界適用領(lǐng)域的大力推廣。

三、生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的試驗(yàn)實(shí)例

（一）芯片原理

芯片本身的表面張力，如果置于微納米量級(jí)尺寸下，會(huì)有非常突出的表現(xiàn)，較之普通芯片的信號(hào)傳輸方式產(chǎn)生了變化，改為流體運(yùn)輸方式。以試紙條生物傳感器為例，試紙條材質(zhì)本身具有表面張力和親水性，這種顆粒相互之間的微觀毛細(xì)作用負(fù)責(zé)運(yùn)輸樣本，而且流體的Taylor-Aris擴(kuò)散經(jīng)由孔隙完成，對(duì)提高流體運(yùn)輸?shù)钠叫蟹€(wěn)定性有輔助效果。同時(shí)，由于微納米量級(jí)是把尺寸進(jìn)行了壓縮，由此讓電泳以及電滲透等電動(dòng)力學(xué)作用，還有流體相對(duì)物質(zhì)在流體速度方面產(chǎn)生的表面滑移成為對(duì)液體輸送造成影響的重要因素，滑移并未產(chǎn)生于親水介質(zhì)的表面邊界層，而疏水性介質(zhì)因?yàn)楦髯圆坏鹊氖杷?，其表面速度滑移產(chǎn)生的最終長(zhǎng)度也分為幾十納米或幾百納米，而滑移長(zhǎng)度可在極端超級(jí)疏水性介質(zhì)的表面達(dá)到向微米量級(jí)的擴(kuò)張程度。生物傳感器還有另一種特點(diǎn)，就是生物傳感器能有效結(jié)合靶原，這種靶細(xì)胞結(jié)合特性在監(jiān)測(cè)酶或蛋白質(zhì)等生物分子方面完全可以取代信號(hào)識(shí)別，進(jìn)而完成相關(guān)監(jiān)測(cè)和鑒定。

（二）微流控芯片選材與制備

（1）基于聚芳醚酮的電化學(xué)傳感器

納米金屬粒子的特點(diǎn)非常鮮明，它的尺寸量級(jí)很小，但是比表面積大，有極高的電催化活性，因而在制作電極電化學(xué)傳感器以及電化學(xué)修飾等諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，聚芳醚酮金屬納米粒子就是其中之一。這種粒子處于裸電極表面時(shí)，能表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性和負(fù)載容量適宜線性，還能在電化學(xué)制備方面表現(xiàn)出靈敏性，成為本文分子監(jiān)測(cè)的備選粒子對(duì)象。

納米金屬電極制備目前的常用方式包括滴涂法、氧化還原電沉積法、電解法、微乳液法以及蘸涂法等形式。①滴涂法。納米金屬粒子制備成溶液向電極表面直接滴注，這種修飾方法操作過(guò)程簡(jiǎn)便易行且易于控制，缺陷是穩(wěn)固性不夠，電極表面滴注的金屬粒子脫落現(xiàn)象高發(fā)；②蘸涂法。金屬粒子溶液中浸入電極，電極因吸附而在金屬表面形成一層膜，這種技術(shù)的缺陷是金屬涂層不容易保住，脫落現(xiàn)象高發(fā)；③氧化還原法和電解法。這兩種技術(shù)在目前的金屬粒子制備過(guò)程中最為常用，由這兩種技術(shù)生成的金屬涂層質(zhì)地均勻，性能穩(wěn)定且不易脫落，如果要掌控制備數(shù)量，只需調(diào)控電位大小即可，非常簡(jiǎn)便易行；④微乳液法。這種技術(shù)須用到最少兩種或以上溶劑分子，互相之間實(shí)現(xiàn)混合與反應(yīng)，最終得到納米級(jí)沉淀，這種技術(shù)制備的金屬粒子可達(dá)單分子級(jí)，活性高，精準(zhǔn)度可靠，缺陷是需要投入大量資金，成本高昂，適用范圍限制在前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究方面。

（2）聚二乙炔比色試紙條傳感器

聚二乙炔是傳感材料當(dāng)中非常典型的一種，它的分子結(jié)構(gòu)是準(zhǔn)一維共軛形式的。同時(shí)，聚二乙炔的光電特性也非常好，一旦遭遇外部刺激，原有的藍(lán)色會(huì)立即變紅，受到電流刺激時(shí)會(huì)有熒光散射效應(yīng)出現(xiàn)，所以在比色熒光傳感器中得到普遍應(yīng)用。傳統(tǒng)模式中的信息處理輸入輸出、記錄顯示以及儲(chǔ)存，都是通過(guò)電流傳感來(lái)實(shí)現(xiàn)的。聚二乙炔作為一種有機(jī)電致變分子材料性能優(yōu)勢(shì)非常明顯，它有卓越的監(jiān)測(cè)效能，通常作為傳感材料在器件內(nèi)部使用。聚二乙炔用于試紙制備還須引入石墨烯，它在其中是作為導(dǎo)電基質(zhì)使用的。聚二乙炔和石墨烯有機(jī)復(fù)合后，可確保材料在電流臨界狀態(tài)時(shí)色變過(guò)程的穩(wěn)定性，在色差對(duì)比度和機(jī)械性能方面也有良好的提升效果。需要注意的是，石墨烯與臨界電流的在變化趨勢(shì)方面是有同步關(guān)聯(lián)性的，石墨烯含量變化會(huì)引起臨界電流的變化，可據(jù)此劃分出明確的區(qū)域界限，以此為基礎(chǔ)生成測(cè)試紙，整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)便易行且會(huì)得到明確的結(jié)果。同時(shí)，制備復(fù)合材料的配必須嚴(yán)格掌控，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是石墨烯粉末0.1克給予24兆帕壓力成片規(guī)格是12毫米，在氯仿溶液中溶解，單體溶液規(guī)格是每毫升45毫克，在壓片表面實(shí)現(xiàn)均勻涂抹和全覆蓋，在通風(fēng)狀態(tài)下實(shí)施24小時(shí)干燥后生成成片，給予10分鐘紫外線誘導(dǎo)照射，最終的復(fù)合材料為暗藍(lán)色。

（三）微納米流控芯片環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用

過(guò)氧化氫的通俗說(shuō)法是雙氧水，它有很好的消毒殺菌作用，在工業(yè)，醫(yī)學(xué)以及軍用方面應(yīng)用廣泛。工業(yè)生產(chǎn)使用雙氧水主要是制備過(guò)碳酸鈉、硼酸鈉以及亞氯酸鈉等，水體清潔作業(yè)也很常用。20世紀(jì)80年代，科學(xué)研究證實(shí)雙氧水有致癌性，會(huì)傷害人體，也會(huì)誘發(fā)基因突變和損害遺傳物質(zhì)，對(duì)環(huán)境造成危害。本文對(duì)環(huán)境中的雙氧水污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，是建立在聚芳醚酮電化學(xué)傳感器基礎(chǔ)上的。

聚芳醚酮磺化溶液3毫升向干燥裸玻璃電極滴注晾干，加入銅極完成輔助電極修飾制備，在PH值為7的磷酸鹽緩沖溶液中加入2毫摩爾每升的雙氧水，對(duì)電極實(shí)施循環(huán)伏安曲線的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可知在SPAEK/GCE修飾電極和裸GCE電極溶液CV圖中，曲線變化均不明顯。而在CuNPs-SPAEK/GCE修飾電極CV圖中，可明顯看到-0.15V和0.20V點(diǎn)峰值電流有巨大幅度的波動(dòng)。同時(shí)在中間區(qū)間峰值明顯較低，這與修飾電極對(duì)H2O2的催化與還原作用效果相符。依據(jù)特定地電位下不同濃度的H2O2溶液與電流的線性關(guān)系曲線，如圖1所示，可對(duì)溶液中的H2O2含量進(jìn)行電化學(xué)定量分析。在-0.2V的電位下，向pH=7.0的PBS緩沖溶液中連續(xù)加入不同濃度H2O2，濃度由最初的5μmog/L依次增加至320μmog/L，可得到圖中a曲線。若是再加入標(biāo)準(zhǔn)樣品，響應(yīng)電流曲線也會(huì)同步增加，且增量與濃度成正比。此外，對(duì)比a、b、c、d、e、f曲線可知，系統(tǒng)在濃度變化中沒(méi)有明顯的基線漂移，具備良好的穩(wěn)定性。

圖1 不同電位PBS緩沖液中對(duì)H2O2的i-t響應(yīng)曲線

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)濟(jì)、靈敏、準(zhǔn)確、持久的優(yōu)勢(shì)，使現(xiàn)代生物技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了特有的效果。目前，常用的現(xiàn)代生物技術(shù)類型較為多樣，但仍有其各自的局限性，在實(shí)際的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中需要根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件靈活應(yīng)用技術(shù)。同時(shí)在應(yīng)用實(shí)踐中，還需要優(yōu)化和創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用方法，不斷探索現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)合的新型技術(shù)，讓技術(shù)更好地服務(wù)于環(huán)境保護(hù)事業(yè)，切實(shí)改善地球生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。