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1、微生物传感器在污染物生物毒性分析中的应用传统的化学分析方法虽能准确定量分析污染物中主要成分的含量，但不能直接反映各种有毒物质对环境和生物的综合影响。传统的生物毒性监测以水蚤、藻类或鱼类等为受试对象，虽然能反映毒物对生物的直接影响，但是这些方法的最大缺点是实验周期长，操作复杂，不能及时反映水质情况。近年来，随着微生物固定化技术的发展，微生物传感器的研究和应用取得很大进展。开发了使用固定化微生物的各种传感器，如发光型微生物传感器、硝化细菌传感器、全细胞微生物传感器等用于水质分析。这些传感器以很高的灵敏度对各种污染物的浓度进行监测，而且具有简便、快速、灵敏、经济等优点，在环境监测中应用前景十分广阔。
2、一、微生物传感器工作原理一、微生物传感器工作原理 微生物在利用物质进行呼吸或代谢的过程中，将消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质。在微生物的数量和活性保持不变的情况下，其所消耗的溶解氧量或所产生的电活性物质的量反映了被检测物质的量，再借助气体敏感膜电极(如溶解氧电极、氨电极、二氧化碳电极、硫化氢电极)或离子选择电极(如pH玻璃电极)以及微生物燃料电池检测溶解氧和电活性物质的变化，就可求得待测物质的量，这是微生物传感器的一般原理。微生物传感器主要由两部分组成：第一部分是微生物膜，此膜是由微生物与基质(如醋酸纤维素等)以一定的方式固化形成；第二部分是信号转换器(如O2电极、气敏电极或离子选择电极
3、等)。将这两部分耦合便可构成微生物传感器。二、微生物传感器的分类与生物毒性检测二、微生物传感器的分类与生物毒性检测1.发光微生物传感器2.硝化细菌传感器3.埃希氏茵属和假单胞茵属传感器4.藻类与蓝细菌传感器5.全细胞生物传感器1.发光微生物(luminous microbes)传感器 发光微生物发光微生物指自然界存在、细胞内具有生物发光代谢系统的原核和真核微生物，近来还包括导入发光基因而使原本不发光的微生物具备发光特性的基因工程发光微生物。发光微生物毒性测试中应用最多的是明亮发光杆菌明亮发光杆菌，可以检测各种水体中的有毒物质，对于气体中可溶性有毒物质，可通过把它吸收、溶解在溶液中，然后观察其对
4、发光细菌的影响。FMNH2+RCHO+O2 荧光+FMN+H2O+RCOOH 细菌荧光酶 正常生理状况下，在氧气与细菌荧光素酶的参与下，细胞可发出波长为420670nm的可见光。如果有有毒物质存在，会抑制酶的活性，使发光量降低，其减弱的程度与毒物的毒性大小和浓度成负相关，因而可以根据发光菌发光强度判断毒物毒性大小，用发光强度表征毒物所在环境的急性毒性。以明亮发光杆菌为生物识别元件，以硅光电二极管作为细胞光信号和电信号转换的敏感元件，构建了细菌发光传感器，分别对苯酚、乐果、乙醛、Hg+、Cu2+、Zn2+等污染物急性毒性进行快速检测研究，同时和哺乳动物毒性实验结果做对比。毒性测试结果表明，在pH
5、=7.0，温度20，3.0NaCI底液条件下，固定化菌膜发光强度达24nw，稳定发光时间6080min，毒性测试结果的EC50值与哺乳动物毒性试验的LD50具有良好的相关性，相关系数r=0.95。采用光纤探头结构、以明亮发光杆菌作为指示物制作了光纤式发光菌传感器，以Zn2+为测试对象，实验结果表明，Zn2+的EC50大约为5.06mg/L，检测范围为10ppb200ppm，与采用国标推荐的方法测得的结果有很好的一致性。1.2.硝化细菌(nitrifying bacteria)传感器 硝化细菌硝化细菌是一群化能自养型细菌，从氧化NH3及HNO2中取得能量，以CO2为碳源进行生活。硝化细菌对毒物非
6、常敏感，因此以固定化硝化细菌做指示物、以氧电极(也可采用氨电极)作为换能器构建的硝化细菌传感器可用于氨、亚硝酸盐、尿素等物质的测定。Kobos研究了测定硝酸盐的细菌膜电极，硝酸根在细菌细胞的硝酸盐还原酶和亚酸盐还原酶的作用下发生如下反应：用一个氨敏电极可以检测产生的氨，把含有所需酶的固氮菌株耦合到一个氨敏电极中，从而得到对硝酸盐敏感的细菌式传感器。这种细菌式电极，以气敏电极为基础，相对地不受离子的干扰。3.埃希氏菌属(E.coli)和假单胞菌属(Pseudomonas)传感器 均为化能异养型、革兰氏阴性无芽孢杆菌。埃希氏菌属埃希氏菌属仅包括大肠杆菌一个种，该菌具有对有机底物的广谱食性，耐渗透压
7、能力强，能长久保持酶的活力等优点，是人们研究最为彻底的微生物，常用作遗传工程宿主菌株。假单胞菌属假单胞菌属由于生物体多样化，而且在污染物降解中起着重要的作用，适合构建各种生物传感器。目前，许多研究将大肠杆菌和假单胞菌的代谢过程作为检测指标，以氧电极测定基质溶解氧的消耗、以CO2电极检测呼吸作用CO2的产生或添加氧化还原介质(mediator)，如苯醌类、铁氰化钾，测定细胞转化介质过程中电极产生的电流变化。4.藻类(algae)与蓝细菌(cyanobacteria)传感器藻类容易培养，结构简单，是最常见的构建生物传感器的生物元件之一。它的工作原理是：通过产氧型光合作用，叶绿素吸收光量子转变为激发
8、态，回到基态时产生荧光；此类光合作用与绿色植物一致，而除草剂等毒物可阻断光合作用的电子传递链而产生抑制乃至致死效应。用藻构建的生物传感器主要是通过氧气释放、pH值，电子传递链及叶绿体的变化给出污染物影响信号的。蓝细菌传感器，其工作原理与藻类很类似，都是可进行产氧型光合作用，有研究者利用聚球蓝细菌细胞作为生物基质构建的生物传感器可以用于检测水体中的除草剂，通过检测细胞中光合成电子传输系统，当有污染物存在时，会对传输系统产生干扰。该方法非常简单方便，可迅速提供污染信息，适于在线监测。5.全细胞生物传感器 微生物全细胞传感器，利用完整的微生物活细胞作为实体通过修饰微生物遗传物质，引入报告基因系统使同
9、一细胞具备敏感多种污染物的功能的装置。商业上可行的、最早的全细胞生物传感器是用于监控废水和污水处理厂中的可被生物降解的有机化合物。目前，开发微生物传感器的复合应用功能正是科研工作者研究的热点与重点，并已取得一系列进展。由于其高度特异性，全细胞生物传感器可望用作一种报警传感器以监控水体中的污染物。三三、展望、展望 生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难，测定对象中的毒害因素如重金属和有毒有机物是影响微生物传感器稳定响应和寿命的关键因素，也是微生物传感器市场化的主要控制因素。因此，研究开发新的固定化技术，利用微生物育种、基因工程和细胞融合技术研制新型、高效耐毒性的微生物传感器，提高检测器使用寿命，信号转换使用寿命，生物响应稳定性和微型化便携式将会是今后科研工作者的研究重心。