環境監測中生物傳感技術的運用實踐微探

樓敏捷

（浙江環境監測工程有限公司 浙江杭州 310000）

環境監測中生物傳感技術的運用實踐微探

樓敏捷

（浙江環境監測工程有限公司 浙江杭州 310000）

生物傳感技術是一種用生物傳感器檢測待測物質的技術，其具有準確度高、專業性強、操作簡單及分析速度快等優點，目前在環境監測領域的應用已經發展到較為成熟的階段。在本文，筆者結合工作經驗，淺析生物傳感技術在環境監測中的應用，以期提高檢測效率、降低檢測成本和保護環境免受二次污染。

生物傳感器；環境監測；應用

引言

作為生物傳感技術檢測物質的重要工具，生物傳感器是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號的檢測儀器，其工作原理如下：待測生物物質擴散至生物活性材料后，利用化學或物理換能器將生物學反應中產生的信息轉換為電信號來識別分子，然后再利用二次儀表進行放大和輸出，便可測得生物物質的實際濃度。在這一原理下，生物傳感器所用的催化劑為一種可重復使用的固定化生物敏感材料，因此試劑成本較低。生物傳感器是由電氣元件、機械元件、轉換元件和生物識別元件組成，其可用來監測不同的環境污染物質，且目前在環境監測中的應用已十分成熟。在本案，筆者分別討論生物傳感器在水環境、大氣環境和土壤環境監測中的應用。

1 水環境監測

水環境是圍繞人類空間及可間接或直接影響人類生活與生存的水體。在人類活動頻繁化的背景下，水環境污染日益嚴重，頻發的水污染事件更是成了制約整個人類社會健康發展的瓶頸，比如2015年4月27日，宜昌長陽蒙特錳業排污至沿頭溪水體污染變黑。在這樣的背景下，運用生物傳感技術來監測水環境變得尤為重要。據此，筆者重點討論如何運用生物傳感器來監測水體中的生物耗氧量、酚類物質。

1.1 監測生物耗氧量（BOD）

BOD是檢測水體中有機污染物的重要指標，其主要選用微生物傳感器來加以監測，具體工作原理如下：以微生物的混合種群或單一菌種為BOD的微生物電極，通過監測電極電流信號的強弱變化，并對其進行輸出和放大來測定水體中BOD的確切含量。針對上述問題，李花子等人研發的BOD監測儀以釀酒酵母為敏感材料，在溫度為25℃、介質pH值為5及固定化酵母為15g的條件下，BOD測定僅耗時15min，且檢測結果具有重現性和穩定性的特征，從此實現了直接測定BOD值＜200mg/L的海水；國外研究者將酵母菌種SPT1、SPT2分離固定于光玻碳電極上，用以測定BOD，其測量誤差在±10%左右，且在測定紙廠污水中的BOD時，檢出限達2mg/L及耗時僅為5min；Renneberg用聚氨基甲酰黃化水凝膠將某一耐鹽酵母菌固定，用以在線監測海水中的BOD，其線性范圍為2.1～550mg/L，且具有極高的耐受性。綜上，BOD傳感器的檢測速度更快、更靈敏，值得推廣應用。

1.2 監測酚類物質

酚類物質是一種劇毒污染物，其在水環境中極為常見，因此應加以嚴密監測。在監測酚類物質中，生物傳感器的應用如下：酶電極安培傳感器具有干擾少、檢出限低和結構簡單等優點，在監測酚類污染物中的應用十分普遍；穆東燕等人用酪氨酸酶碳糊電極組成電流生物傳感器，測得苯酚濃度為2.0×10-7～1.0×10-5mol/L時與電極電流存在線性關系，且響應時間僅為2min，同時這一電極對鄰甲酚、鄰苯二酚等酚類物質的響應效果也十分理想，因此可將之用來監測工業廢水中的酚類物質；研究人員利用二相生物傳感系統來檢測有機介質與水溶液中的酚，并采用競爭性流動注射棉衣熒光分析法來測定其中的酚類污染物，比如4-硝基酚等；李天華等人用L-半胱胺卟啉銅修飾金電極，用以催化氧化苯酚，這一方法具有響應速度快、線性范圍廣的優點及其檢出限約為2.0×107mol/L，則可將之用來檢測地表水中的苯酚。

2 大氣環境監測

大氣環境是生物賴以生存的空氣的生物學、化學和物理特性，其一旦遭到污染，便會引發一系列問題，從而危及整個生物圈的生存和發展。大氣環境的污染因子以 SO2、NOx、CO2和 TSP 等為主，其中 SO2、NOx會引起酸霧、酸雨，是大氣環境安全的最大威脅，同時NOx會引起光化學污染。可見，重視對大氣環境的監測尤為重要，而生物傳感器可為之提供一種簡單、實用、有效的監測方法。

2.1 監測SO2

針對生物傳感器在SO2監測中的應用，馬莉等人先在醋酸纖維膜上固定好含亞硫酸鹽氧化酶中的肝微粒體后，再與氧電極組成安培生物傳感器，以分析由SO2產生的酸霧、酸雨樣品溶液，其中的肝微粒體在對亞硫酸鹽進行氧化時，會消耗掉相應的氧，從而使得氧電極四周的溶解氧濃度下降并引起電流改變，此時通過監測電流變化，便可測得亞硫酸鹽的含量。上述監測方法具有響應速度快、測定結果的準確度高和重現性好等優點，即在10min左右便可測定穩定結果及亞硫酸鹽在含量＜3.4×10-4mol/L的條件下與電流存在線性關系及其檢出限為0.6×10-4mol/L，注意類脂質僅可在37℃的條件下使用，并保存2d及分析20次。Carballor等人制備的聚卟啉合鎳修飾玻碳電極可與流動注射分析法聯用，用以快速測定SO2的含量，且其檢測限為0.15mg/L。

2.2 監測NOx

目前，在NOx監測中應用的生物傳感器由氧電極、固定化硝化細菌和多孔氣體滲透膜組成。其中，硝化細菌是亞硝酸鹽的能量來源，在亞硝酸鹽的作用下，其呼吸活性會有所增加，同時可利用氧電極測定溶解氧含量在這一呼吸過程的下降量，進而測定亞硝酸鹽含量，用以反映NOx的含量。這一傳感器的檢出限達0.01mol/L，且亞硝酸鹽在含量＜0.59mol/L的條件下與電流呈正相關，從而表現出較好的選擇性和較強的抗干擾能力。另外，Charlesp等人用氧電極、固定化硝化細菌和多孔滲透膜組成的微生物傳感器可用來測定亞硝酸鹽的含量，從而監測測定大氣環境中的NOx的含量，其檢出限達1×10-8mol/L。

3 土壤環境監測

土壤環境是巖石經生物、化學、物理的風化與侵蝕作用及氣候等因素的作用形成的土壤生態環境，其在社會經濟飛速發展的背景下，正遭到嚴重污染。因此，應重視對土壤環境的監測，而生物傳感器的應用在這一監測過程中起到了十分重要的作用。例如：顧宗濂等人利用一株優質的桿菌來監測土壤在受重金屬污染后的總生物毒性，同時研發了生物毒性測定儀；Roberto等人在GFP基礎上，采用基因轉錄的方式研發了細菌熒光素酶生物傳感器，用以測定砷酸鹽和亞砷酸鹽，從而實現了對砷污染環境的長期在線監測，且具有檢測費用低、效果好等優點。

4 結語

目前，生物傳感技術在環境監測中發揮了重要的作用，且與傳統的檢測技術相比，具有操作簡單、靈敏度高、選擇性強、檢測成本低、響應速度快及支持現場或在線監測等優點。在未來的發展中，為了滿足環境監測的要求，生物傳感器的功能定由多功能方向發展，其中納米生物傳感器的集成和應用將在提高檢測效率、靈敏度及簡化結構上發揮重大的影響，從而為保護環境安全提供技術支持。

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1004-7344（2016）17-0269-02

2016-5-20