生物技術在環境監測中的應用

項慰剛

（華中科技大學文華學院，湖北 武漢 430074）

隨著社會的不斷發展，人口不斷增長，環境污染日趨嚴重。治理污染，保護環境已經成為全人類的深切呼聲。50年代，即早起的環境監測主要采用分析化學的方法對污染物進行分析，但由于環境污染物含量低(通常是p p m或p p b級別)、變化快，檢測結果往往不很理想。

近些年來，以基因工程、細胞工程、酶工程、發酵工程為代表的現代生物技術發展迅猛，并日益影響和改變著人們的生產和生活方式。所謂生物技術是指“用活的生物體(或生物體的物質)來改進產品、改良植物和動物，或為特殊用途而培養微生物的技術”。隨著對環境污染認識地不斷加深，污染對生物群和人類健康的影響漸漸顯露出來。單單依靠理化監測并不能反映出污染物對生物體及生態系統影響的綜合效應，所以利用生物對環境污染進行監測，通過不同的層次和方面分析污染危害的程度，已成為一種被廣為接受和有效的環境監測手段。生物技術應用與環境管理，是為了推動工業的可持續發展，1998年，經濟合作與發展組織認為生物技術將對工業的持續發展起著十分關鍵的作用，鼓勵其成員國支持工業和環境生物技術的研究。

現代生物技術建立了一類新的快速準確監測與評價環境的有效方法，主要包括利用新的指示生物、利用核酸探針和利用生物傳感器。人們分別用細菌、原生動物、藻類、高等植物和魚類等作為指示生物，監測它們對環境的反應，邊能對環境質量做出評價。

1 生物傳感器技術

隨著生物技術及電子科技的迅速發展，生物傳感技術已逐漸成為一個新興的高科技領域。由于傳感器具有高度自動化、微型化與集成化的特點，能提供有效而快速的分析手段而代替傳統的實驗室技術，從而為生物醫藥、環境檢測、食品工業等領域帶來新的技術革命。

生物傳感器以生物分子去識別被測目標，然后通過信號系統將生物分子所發生的物理或化學變化轉化為相應的電信號予以輸出放大，從而得到監測結果。生物傳感器技術是建立在固定化細胞和固定化酶技術的基礎之上的。生物傳感器技術發展較快，目前在水質監測中已得到廣泛應用的有B O D生物傳感器，氨生物傳感器，亞硝酸生物傳感器，乙醇生物傳感器，氧化還原電位（O R P）生物傳感器，菌濃度檢測器，底物及代謝濃度檢測器等。這些生物傳感器的開發和應用不僅克服了傳統檢測方法繁瑣、準確性差、不能及時反映水質狀況的缺點，還為自動連續監測、污水處理設施連續在線監測提供了可能，因而為整個水處理事業的自動化打下了基礎。

2 生物大分子標記物

生物大分子標記物是指生物體內的一些對外界環境變化敏感并能產生一些可監測變化的大分子物質，這些大分子物質能夠反映環境變化對生物體的影響。隨著社會對環境保護的日益重視和分子生物技術的發展，將生物大分子標記物的

監測應用到環境監測中已成為一種趨勢。生物大分子標記物檢測憂郁其測定指標全面、準確、系統且具有特異性等優點，近十幾年來作為污染物暴露和毒性效應的早期預警工具已被廣泛應用于環境監測和評價中。例如，核酸分子標記物檢測，蛋白分子標記物檢測。

3 基因探針、PCR技術

近年來，國內外有關核酸探針、PCR（Polymerase Chain Reaction）技術用于細菌、病毒檢測的報道日益增多。非放射性核酸探針的靈敏度和特異性基本上達到了反射性同位素標記探針的水平，使核酸雜交技術檢測各種微生物更為安全、方便、快捷。目前已可利用核酸探針來檢測水環境中的致病菌，如大腸桿菌、志賀氏菌、沙門氏菌、耶爾森氏菌等腹瀉性致病菌。核酸探針也可用于監測乙肝病毒、艾滋病病毒等病毒。PCR技術適用于目前尚不能培養的微生物檢測，可用于水樣中的細胞檢測。隨著技術的完善及成本的降低，今后核酸探針和PCR技術可能發展為一種快速可靠并可能代替常規水質微生物檢驗的方法。

4 酶免疫監測

酶免疫監測（enzymeimmunoassay，EIA）是根據抗原體反應具有高度的特異性，以酶作為標記物，與已知抗體結合，但不影響其免疫學特性，然后將酶標記物的抗體作為標準試劑來鑒定未知的抗原。酶聯免疫吸附檢測（enzymelinkedimmunosorbentassay，ELISA）是目前最常用的監測方法。ELIAS是根據EIA的原理而發展的一種固相免疫技術，可供實驗室和野外測試。

5 生物發光檢測技術

自然界中許多生物具有發光現象，如細菌、真菌、昆蟲等，發光菌是一類能運動的革蘭氏陰性兼性厭氧桿菌。從環境中選擇自身具有發射熒光特性的細菌作為指示菌，土壤中重金屬的存在會影響該指示菌的生理指標，以其放射熒光的強度大小作為環境檢測的指標。該發射熒光特性的細菌也可以用于對土壤中樟腦球和其他混合毒物的檢測。

目前，國外報道了以熒光細菌作為敏感材料的生物傳感器用于檢測污泥中的重金屬Z n和C u，結果靈敏直觀。在這些發光菌中催化生物發光反應的酶稱為熒光脂酶，而編碼熒光脂酶的生物發光基因——l u x基因已全部得到克隆和表達。一些細菌長期生活在含某種化學物質的自然環境中，產生了適應現象，細菌基因組中含對該化學物具有特異性的誘導基因及降解基因。將這些基因與l u x基因融合構成重組體，在特異的化學物存在時產生誘導作用，啟動誘導基因并導致l u x基因表達。構成的基因工程菌可用來檢測環境中存在的萘、P C B、汞、苯系物、氮等特異的化學污染物，有重組體的發光與否就可得知某化學物是否存在。借助于適宜的載體將重組體導入宿主細菌將熒光基因作為一報告基因，可將其導入應用基因工程微生物中，從而只需用過對光線的檢測就可對微生物在環境中的生長、活性、分布等進行實時在線監測。

與常規檢測方法比較，生物發光檢測技術靈敏度高、特異性強、檢測快速方面。如今生物發光檢測技術正與生物傳感器技術、細胞固定化技術以及計算技術緊密結合，內容逐步完善，自動化水平也日益提高。

6 生物芯片技術

生物芯片技術是20世紀90年代中期以來影響最深遠的重大科技進展之一，其中基因芯片進行的表達水平檢測可自動、快速地檢測出成千上萬個基因的表達情況。在環境污染物的影響下，敏感生物個體細胞的基因表達豐度會發生相當程度的變化，分析基因組D N A中的變化序列以篩選出D N A突變和多態性變化，尋找與正常表達的差異，單獨地或混合地確定毒物質對敏感生物基因水平上的影響以及影響的程度，以此來檢測環境中的污染物及其生物效應。

目前，環境科學家已經意識到將生物芯片技術引入環境科學家研究中的重大意義：“環境基因學”已成為國外基因學研究中的新概念和新方向，而生物芯片正是研究“環境基因學”的重要手段，能快速反映環境因素對人類基因的影響。國內這方面的工作報道很少，但科技部和國家自然科學基金委都已經將此列為前沿課題項目。

7 結語

迄今為止，現代生物技術用于環境監測，由于受到生物材料和方法本身的限制，都存在一定的局限性。ELISA的靈敏度相對其他方法較高，當對溫度的依賴性強，不便于在線檢測；生物發光檢測技術受熒光生物體本身生理狀況的限制較大而影響方法的重復性；PCR、芯片技術的應用在于它的信息量遠高于其他技術，但這需要建立大量的有關毒理基因信息庫。

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