微生物传感器在环境监测中的应用进展

摘要:近年来,随着微生物固定化和生物传感技术的不断发展,微生物传感器技术也显示出广阔的应用前景。本文综述了微生物传感器的基本工作原理以及在水质、大气监测和生物毒性测试等方面的应用进展,并对其前景进行了展望。

Abstract: In recent years, with the continues development of immobilized microorganisms and biological sensor technology, micro-sensor technology has shown broad application prospect. This paper summarizes the basic principle of microbial sensors and the application progress of water quality, air monitoring and biological toxicity testing and carrys on its prospect.

关键词:微生物传感器;监测;应用进展

Key words: microbial sensor;monitor;application progress

中图分类号:X83文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)22-0094-02

0引言

近些年来,工业化进程和新技术开发日新月异,使人类文明发生了翻天覆地的变化。与此同时,自然环境也遭到了极大冲击,污染问题日益严重,引起了世界各地人民的广泛关注,因此对环境污染物进行有效监测意义重大。微生物传感器由于快速、灵敏、响应快,样品用量少等特点非常适用于环境样品的监测。同时更由于体积小,易于实现连续在线监测,成本远低于大型的分析仪器,便于推广普及而得到迅速发展。1975年Divies制成了第一支微生物传感器,由此开辟了生物传感器发展的又一新领域。与最早问世的酶电极相比较,微生物传感器的稳定性较好,使用寿命也较长,且价廉。微生物细胞中的酶因为仍处于它的自然环境中,这就增加了稳定性和活性,还免除了花费昂贵的酶纯化和辅助因素再生的步骤。

1在环境监测中的应用

1.1 生物需氧量(BOD)的监测BOD是废水监测中最重要的参数之一,传统的监测方法是采用五日生化法测定,费时、费力且不易实现在线监测。而采用生物传感器测定BOD值能将测定时间缩短至15分钟,而且重现性大大提高,具有广阔的市场,许多种BOD传感器被应用开发。商业上可行的、最早的微生物传感器也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。1977年Karube[1]等开发出能够测定水质的BOD微生物传感器,宣告了人类第一台BOD微生物传感器的问世。我国于2002年由国家环境保护总局颁布了水质中污染物生化需氧量测定微生物传感器快速测定法环境保护行业标准,该方法适用于地表水、生活污水和不含对微生物有明显毒害作用的工业废水中BOD的测定。

为了监测低BOD的废水水样(小于5mg/L)例如污水处理厂的二级废水或河水等,Chee[2]使用一种恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)制成了高灵敏度的BOD传感器。 这种从污水处理厂分离筛选得到的细菌能够降解许多难降解有机化合物如腐殖酸、木质素、单宁酸、表面活性剂等河水及污水中的化合物。这种高灵敏度的BOD传感器不久将投入生产,在日本广泛用于河水及污水BOD监测,并有望替代传统的BOD5监测方法。

Tom Renneberg[3]利用一种耐盐酵母菌(Arxula adeninivorans)固定在聚氨基甲酰磺化水凝胶组成微生物传感器,其对盐的高耐受性可以适应海水盐分对细胞的影响儿应用于海水的BOD监测,线性响应范围能达到550mg/L,最低检测限2.1mg/L,对海水水污染可实现理想的在线监测。

另外,Koenig[4]等研制成一种基于硝化细菌硝化作用的抑制原理制成的微生物传感器。这种传感器将硝化细菌固定在微小的氧电极上,通过测定硝化细菌的呼吸活性可以监测废水的N-BOD,具有响应时间短、重现性好、灵敏度高等特点,有着很好的商业应用价值。

1.2 环境中污染物的检测表面活性剂是一种广泛使用的有机化合物,同时也对环境造成了很大的污染。 Reshetilov[5]和Taranova[6]研究了的假单胞菌和无色菌(Pseudomonas and Achromobacter)传感器的敏感性和选择性,这种细菌能够降解表面活性剂引起溶解氧的减少,通过氧电极的变化检测表面活性剂的含量,最低检测限能达到0.25μg/L。

SO2是形成酸雨酸雾的主要原因,传统的检测方法很复杂。Sasaki[7]将一种氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)制成微生物电极与电位计、记录仪构建成微生物传感器,可以监测酸雨中的硫酸盐,并讨论了这种微生物传感器的使用寿命、酸雨中其他离子的影响以及它的应用。王晓辉[8]等将从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选出一株专性、自养、好氧的氧化硫硫杆菌,将此菌体夹于两片醋酸纤维素膜之间制成夹层式微生物膜制成一种硫化物微生物传感器,建立了测定硫化物的新方法。

在其他各种污染物监测中 Preston[9]等利用荧光假单胞菌实现了对重金属离子的监测,Ripp[10]等利用荧光假单胞菌(P.fluoerescens)监测多环芳烃,另外监测污染土壤中的多环芳烃还有矢野口鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas yanoikuyae B1)安培型生物传感器[11]等。

1.3 在生物毒性测试中的应用

毒性是一项综合的生物学参数,它是衡量样品对活性生物体所产生的影响,不能以化学分析的方法进行测定,而其他的生物测试方法如鱼类试验、浮游动物试验、藻类试验等则较为复杂。微生物传感器法适用天然微生物,这一方法经研究被证实具有快速、简便的特点,同时有很好的灵敏度和可靠性。另外,细菌本身没有危害性。

发光微生物传感器是目前生物毒性测试中研究最多的微生物传感器之一。最常用的生物发光系统是用于水体毒性实验的Microtox法评价。早在1995年国家环境保护总局就颁布了水质急性毒性的测定发光细菌法行业标准。该标准规定了测定水环境急性毒性的发光细菌法,适用于工业废水、纳污水体及实验室条件下可溶性化学物质的水质急性毒性监测。

张金丽[12]等利用Microtox技术检测5种多环芳烃化合物生物毒性结果表明,二甲亚砜配制的测试液中萘、菲及荧蒽均对发光细菌具有一定生物毒性,且随浓度的增大而增强,相同浓度下毒性菲>萘;测试液中当萘浓度小于其溶解度时即产生100%的抑光率,萘EC50为4.32 mg/L,而菲及荧蒽浓度近其溶解度时所产生的最大抑光率分别为

宫智勇[13]等利用聚乙烯醇(PVA)吸附包埋法选用大肠杆菌作指示菌,将其固定在载体上形成大面积细菌膜,强化生化效应并与顶空气相色谱法结合起来,来监测废水毒性,并就其固定化条件、细菌活性等进行了实验研究,结果表明固定化大肠杆菌具有较好的活性,在适当条件下可保存40d以上。

利用假单胞菌传感器做毒性测试也多有报道。Marinella[14]等基于有毒物质对假单胞菌的呼吸抑制作用利用固定化恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)的安培型生物传感器来监测废水的毒性,并将测试指标EC50及抑制曲线的标准偏差等与发光细菌、大肠杆菌传感器作了比较。Han TS[15]等利用三氯乙烯降解菌铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和氯离子电极组成的三氯乙烯传感器可以实现间歇式或FIA( Flow injection analysis)系统监测。

2微生物传感器前景展望

微生物传感器展现出广阔的发展前景。目前的研究热点是:

2.1 微生物传感器的固定方法还有待改进固定后的微生物应尽可能保证细胞活性和避免细胞从膜中流失,以保证传感器的使用。同时延长微生物传感器的使用寿命将有助于微生物传感器向实用化、商业化迈进,这方面还需进一步研究。

2.2 基因重组微生物传感器能进一步提高微生物传感器的灵敏度,这将是一个重要的研究方向,也必将为微生物传感器增添新的活力。

参考文献:

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[3]Tom Renneberg, Roger C. H. Kwan, et al. A Salt-Tolerant Yeast-Based Microbial Sensor for Rapid BOD Measurement.Microchim. Acta (2004).

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