生物技術在環境保護及監測中的應用

摘要：進入21世紀以來，生物技術得到了前所未有的發展，先后出現了的微生物工程、微核技術、PCR技術、生物傳感器，生物芯片等。本文就微核技術、PCR技術、生物傳感器、生物芯片基礎知識及在環境監測中的應用做簡要介紹。

關鍵字：生物技術；環境監測；應用

中圖分類號：X83 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）05-0235-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.139

Abstract： After entering the 21st century， biotechnology has achieved unprecedented development. There have been microbiological engineering， micronuclear technology， PCR technology， biosensors， and biochips. This article briefly introduces micronuclear technology， PCR technology， biosensors， basic knowledge of biochips， and applications in environmental monitoring.

Keywords： Biotechnology； Environmental monitoring； Applications

隨著生物學的發展及近年來對環境監測的重視，環境監測方法不斷得到改進，其中一些比較先進的生物學技術也被逐步應用到環境監測領域。具體包括微核技術、PCR技術、生物傳感器、生物芯片技術等，檢測人員已將其應用到環境監測中，并取得了諸多成效。

1 微核技術

生物細胞中的染色體在復制過程中常會發生一些斷裂，在正常情況下，這些斷裂絕大多數能“自己愈合”。如果生物細胞在早期減數分裂過程中受到輻射或環境中其他誘變因子的作用而引起的染色體斷片，由于缺少了著絲粒而不能受紡錘絲牽引到細胞的兩極而游離在細胞質中，當新的細胞形成時，這些斷片就形成了大小不等的微核（大小只有主核的1/3以下），分布在主核周圍[1]。

1.1 在日常環境監測過程中微核技術主要使用植物微核技術，包含以下方面

其中一個是紫露草微核試驗，利用在減數分裂過程中花粉精母細胞的染色體作為誘變因子的攻擊目標，將早期四分體中形成的微核作為觀察終點，把從大量早期四分體中得到的微核率作為染色體受到損傷的指標，進而評價環境中致突變物對真核生物細胞中染色體的損傷程度；二是利用有絲分裂形成體細胞微核蠶豆根尖藻毒素測定法[2]。

1.1.1 紫露草微核試驗

1978 年， 美國Western Illinois 大學的Te - HsinMa利用美國紫露草（它對輻射和誘變反應十分敏感）作為原料， 利用1 ，2 —二乙烷氣體進行處理， 誘發小孢子四分體產生微核。從實驗的結果來看，微核的數量和1，2—二乙烷氣體的濃度息息相關，呈現出正比關系，便有了后來的紫露草微核技術。這種用于放射性危害的監測、室內環境空氣監測及水質中的污染程度的監測等。

1.1.2 蠶豆根尖微核試驗

1980年Degrassi等研究人員在對多種淡水污染誘變劑損傷的微核效應的實驗過程中采用微核技術檢測X-射線以及 絲裂霉素C，發明了蠶豆根尖微核實驗方法， 建立了微核效應檢測技術。這項技術對于誘變物敏感，信息準確，目前廣泛用于水體檢測。

1.2 微核技術的優點及缺點

材料易準備，經濟，可準確地反映某些因素對遺傳物質的損傷效應。但也有需要改進的地方，在環境受到較嚴重污染的情況下有些植物較為敏感，從而生物細胞死亡率升高或者繁殖率下降，都不能準確地反映污染狀況。

2 PCR技術

2.1 原理

聚合酶鏈式反應，簡稱PCR技術，它是一種選擇性體外擴增DNA或RNA片段的方法，這種擴增需要的材料包括：聚合酶，引物，模板，四種脫氧核苷酸和Mg2+。其反應條件與過程可分為三步：DNA變性（90-96℃）、退火（25-65℃）、延伸（70-75℃）。每進行一次DNA變性（90-96℃）、退火（25-65℃）、延伸（70-75℃），DNA的數量便提高1倍，目前由于多種原因包括擴增區問題、TAP酶活性問題，諸多問題影響，PCR技術改成退火以及延伸兩個步驟。

2.2 應用

在環境污染中生物污染是十分重要的污染，直接影響著我們的生活質量。分離培養是目前最常用的監測技術，一般需要幾天的培養時間，而且有些致病菌難以培養，給監測帶來困難。PCR技術可以解決上面產生的問題，需要的時間較短，且特異性好，靈敏度高。應用PCR技術監測生物污染，首先從監測物中提取核酸，其次監測物核酸的PCR擴增，再次擴增產物的監測以及擴增產物的量化。PCR技術用于環境中的生物污染有著諸多的優點，包括簡便迅速，靈敏度高，特異性強；同時也存在著許多問題，主要包括污染問題及重復性問題。

3 生物傳感器

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進行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件與適當的理化換能器及信號放大裝置構成的分析工具或系統。生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。

3.1 生物傳感器的原理

待測物質經擴散作用進入生物活性材料，經分子識別，發生生物學反應，產生的信息繼而被相應的物理或化學換能器轉變成可定量和可處理的電信號，再經二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。

3.2 生物傳感器的特點

利用固定化生物活性物質作催化劑的生物傳感器，打破了過去在監測過程中費用高以及在做樣過程中程序繁瑣的問題。生物傳感器只是針對特定的底物起反應，它有比較強大的專一性，不受其他顏色和濁度的影響。檢測過程中節約時間， 而且準確度高。操作過程中節省人力，實現了自動化。生物傳感器的成本相對較低，使用過程中每個樣品僅僅需要幾分錢。

3.3 生物傳感器的種類

生物傳感器根據生命物質不同進行分類，主要包括酶傳感器、微生物傳感器以及免疫傳感器等。

隨著生物傳感器的不斷發展出現了COD傳感器，BOD傳感器，氟化物傳感器，酚類有機物傳感器，陰離子表面活性傳感器，二氧化碳傳感器，陰離子表面活性劑傳感器，氨氣傳感器，CH4傳感器等。

4 生物芯片[3]

我國的生物芯片研究始于1997-1998年，近十年來生物芯片在國家的大力支持下發展迅速，也逐漸把研究成果應用與環境監測領域。

（1）我們所說的生物芯片是用硅片或玻璃片和生命材料結合起來制作出來的芯片，也是第三代或者第四代的生物傳感器。

（2）隨著生物芯片的發展，其被分為如下三類包括：①基因芯片或DNA 芯片；②蛋白質芯片；③芯片實驗室。

（3）生物芯片監測水體環境生物。①在控制水質質量方面，生物芯片為人類提供了大量的生物信息，人們在日常的環境監測以及污染物防治活動中要比傳統的方法能夠監測出來更多的生物和遺傳信息，De在監測肺炎鏈球菌的基因過程中利用的寡核苷酸探針技術，同時檢測了肺炎鏈球菌的生長期與非生長期的基因的差異性表達問題。這個方法在檢測水體環境生物方面比較精確，整個過程可在幾個小時內完成，而且費用也相對較低。②瞬時檢測病原細菌。Rhode Island大學的研究人員利用光纖作為探針，將生物傳感器技術與光纖技術相結合，利用光纖末端接觸待測物，精確地檢測 存在的病原體含量，從而即時檢測出其中的病原細菌，整個過程僅需要1～1.5h。此種方法能夠快速檢測出水中的沙門氏菌以及大腸桿菌。③監測細菌基因表達情況。細菌的全部RNA序列中的mRNA的含量非常低，很難純化分離出來，但是利用生物芯片便不需要純化全部的RNA，就能得到全部的信息。④對細菌進行檢測及菌種鑒別。利用細菌已知序列的特殊基因或特異的DNA序列，設計特異探針，負載于生物芯片上，可檢測樣品中對應細菌。Anthony等利用生物芯片建立了一個快速的細菌檢測及鑒定系統[4]。Cho等發展了一種基于隨機基因組片段的DNA芯片技術方法，能將被檢測細菌區分到種的水平。

5 結語

隨著生物技術的日益成熟，生物技術在環境監測中的應用必將更為廣泛。在應用生物技術的同時，要注意根據不同的研究目的、研究對象選擇合適的技術方法。雖然生物技術因具有準確，經濟，高效等優點，但還要注意生物技術可能給環境帶來的污染。

參考文獻

[1]國家環境保護總局.水和廢水檢測分析方法[M].北京：中國環境科學出版社，2015.232-233，765-771.

[2]王映雪.微核技術在環境監測中應用概括[J].云南環境科學，2013，19（4）：53-55.

[3]吳志強，康長安，顧自強.生物技術在環境保護中的應用[J].廣州化工，2015，（6）：142-144.

[4]賈彬，楊蕾.生物技術在環境保護工作中的應用研究[J].農業與技術，2013，（1）：175-176.

收稿日期：2018-03-25

作者簡介：李恒（1985-），女，本科，工程師，研究方向為環境監測。