環境監測工作中微生物傳感技術的應用

張瑞霞　李莉　王宇

摘 要：在低碳經濟下，環境管理工作面臨著較高的要求。如何實現現場的在線監測與分析成為環境監測的一項重要研究要點。隨著傳感技術的進一步完善，傳統的化驗式數據收集方法已經無法與發展相滿足，從而向人工智能方法的方向進行轉變，提升數據的質量水平與收集效率，運用生物傳感技術則對環境污染及監督環境問題的過程產生有效簡化，作為未來環境監測的主要方向得到應用。

關鍵詞：環境監測；微生物傳感技術；應用

中圖分類號：X84 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）23-0066-02

1 環境監測的意義

通過加強我國環境監測軟硬件的建設力度，使各種環境污染因子的監測構成一定的監測能力，對環境管理的強化產生一定的積極作用。將環境管理的檢測數據作為基礎，與環境監測的技術監督與支持產生直接聯系。若不具備環境監測，則無法實現有效管理，更別說管理的科學化。作為污染動向的掌握及污染危害預防的重要環節，環境監測是環保工作中的“尖兵”，對環境管理的加強、環保政策與法規的制定以及經濟的建設都產生了極為重要的作用。

2 生物傳感技術的工作原理

生物傳感技術的構成主要包括三大部分：物理化學信號傳感器、電子信號處理器以及生物敏感元件。現階段，生物傳感技術有在線檢測和連續監測的功能，并對環境監測中傳感器技術的應用范圍實施引導及拓展。生物傳感技術的工作原理是通過物理傳感器將生物敏感元件型號和特異性向聲、光、電等易監測的信號轉變。從間接過程中對監測物質信息進行獲取。通過分析不同角度，也有各不相同的物理傳感器構成分類。生物傳感器包括：安培型、電位型、阻抗型傳感器以及聲波。以轉換對象進行區分，生物傳感器的類型主要包括NH3、CO2、O2、PH。根據生物敏感元件又可劃分為微生物、免疫以及DNA傳感器。不同的傳感器類型則會有不同的環境監測物質反應狀況。

3 環境監測中微生物傳感技術的應用

3.1 監測有毒物質

Cellsens生物傳感器則是對該種監測技術進行運用而發展出來的一種生物傳感器，該技術是將大腸桿菌的毒性分析系統作為基礎，衡量標準為細菌呼吸活動，污染物對細菌的呼吸作用造成影響，可根據生物傳感器的電流大小的改變對污染物毒性的高低進行判斷，Cellsens生物傳感器在廢水中已經得到應用。

3.2 監測農藥等物質

所謂農藥類物質就是指除草劑、殺昆蟲劑、殺真菌劑、植物生長調節劑以及脫葉劑等農藥。在大氣、土壤、水、植物及食品中，農藥作為一種廣泛存在的環境污染物得到應用。除草劑的運用不僅有有機化合物存在，而且還包含著無機物質；殺真菌劑具有含硫化合物、有機化合物和含銅化合物；殺昆蟲記中則具有氧磷、馬拉硫磷等有機磷化合物。該類物質都會對人體造成危害，引發人體造血功能、呼吸道、免疫系統、神經系統出現損傷，甚至會有嚴重的致癌現象。目前，氣相色譜法是最常用的殺蟲劑檢測方法，但某些殺蟲劑有低揮發性、高極性以及對熱不穩定性等特點，很難對相色譜法進行運用從而實施檢測。但有機磷農藥是在低濃度下運用的一種特定酶活性的抑制，有機磷農藥濃度對抑制程度產生影響，因此設計了酶傳感器間接測定了有機磷農藥的濃度。其中酶傳感器的作用原理是在膽堿酯酶的作用下，乙酰膽堿通過分解形成乙酸和膽堿，隨后膽堿別膽堿氧化酶氧化構成甜菜堿并對H2O2進行釋放，農藥和膽堿酯酶有作用產生時，會有容易水解的非共價的中間復合物產生，同時由于乙酰膽堿酯酶剛度敏感于有機磷農藥，因此測定反應相PH變化會有酶活受抑情況產生，間接推算出有機磷農藥濃度，從而監測藥物的危害性。

3.3 監測表面活性物質

表面活性物質會造成嚴重的水污染產生，例如在水面上直鏈烷基苯磺酸鈉（LAS）會有泡沫產生，消耗氧。運用LAS對菌、氧電極產生降解而形成的生物傳感器，能夠對陰離子表面活性劑實施檢測。陰離子表面活性劑對LAS降解菌的呼吸作用產生影響，從而影響了溶解氧的變化，通過對氧電極的電流變化進行運用，從而將表面活性物質的濃度得以測定。

3.4 檢測微生物數量

作為水質評價的重要標準，微生物數量發揮著一定的作用。伏安型細菌總數微生物傳感器可通過電極和其輔助裝置對數量超過30 000個的細菌數量進行測定，通常情況下時間為半個小時左右，先將細菌懸濁液抽濾成細菌阻留膜狀，在彈性電解池底部對電極和濾過膜實施固定，在電極上修飾阻留膜，對伏安曲線實施記錄，通過對照保準曲線即可對細菌總數得出。而運用傳統的平板菌落計數法對細菌數量的測定則會有較大的主管誤差存在，而且測定運用的時間較長，準確程度較低。

3.5 測定生化需氧量

生化需氧量（BOD）是指水中有機物等需要氧的污染物質含量的一個綜合指標。BOD生物傳感器的電極是由微生物的單一菌種或混合種群構成，由于水中有不同的BOD數量，使得水中的微生物存在不同的呼吸方式，導致出現不同的電極電流信號，通過輸出放大電信號，則會獲取水中BOD的數量。通常情況下，運用傳統的稀釋法對水中細菌的數量進行檢測時，不僅有復雜的操作工序共存，而且用時較長，一般達到5 h左右。而生物傳感器的運用則能在10～15 min內對細菌數量進行確定，還能進行在線檢測，及時反饋水質。

3.6 在廢水水質監測中生物傳感器的應用

作為污水處理廠普遍存在的一項難題，廢水水質的監測主要是由于水環境中存在著較多的污染物，且具有復雜的成分，含量具有痕量的特點，這就需要運用切實有效的提取、分離、富集與分析的方法進行運用。若將所有過程中的在線監測進行實現，則會存在一定的難度，隨著生物傳感技術的投入使用，使在線監測廢水生物處理過程得到更好的支持，使自動監測得以實現。例如，在高級環境監測系統內對生物傳感器進行運用，能夠對水中存在的環境污染物實施監測，在細胞膜生物傳感器內，結合被運輸物質存在良好的選擇功能，因此細胞可通過環境對相應物質實施主動獲取，使其發揮良好的生理效應，并采用型號轉換器進行實時測定。其次，為了使生物傳感器的應用性能得到更好發揮，還可對自動裝置進行運用，使生物傳感器的重負檢測水平與敏感度得到提升，特別是在地下水監測和工業廢水處理中的監測得到適用。

3.7 監測大氣環境

3.7.1 監測SO2

在SO2監測中采用肝微粒體和氧電極相結合制成的生物傳感器，通過測定雨水中的亞硫酸鹽的濃度，使SO2的含量得以體現。根據傳感器內部的微粒體對亞硫酸鹽是時候氧化，與此同時還對一定的氧實施消耗，使氧電極周圍溶解氧濃度得到降低，導致傳感器電力出現相同變化，對亞硫酸鹽濃度實施間接反應，存在良好的重現性和較高的準確度等特點。

3.7.2 監測NOx

在監測NOx時，應采用氧電極、固定化硝化性以及多孔砌體滲透膜相結合而制成的一種生物傳感器。作為唯一的硝化細菌能源，亞硝酸鹽的增加會使傳感器的呼吸活性得到增加，在呼吸過程中對氧電極進行溶解，監測濃度的降低量，根據該內容將亞硝酸鹽含量得到間接的反映，使大氣所含的NOx的含量得以體現。

4 結 語

綜上所述，生物傳感技術在環境監測中的應用能夠將分析效率得到較大程度的提升，合理控制成本，有效確定環境監測的諸多因素，同時可支持自動化在線監測與應急監測的需求，使其作為未來環境監測的主要發展目標，在環境監測中得到廣泛應用。

參考文獻：

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