現代生物技術在環境監測中的應用

山東厚德環保科技有限公司 左廣濤

環境監測是環境保護工作的前提基礎，為制定環保措施提供數據支持，有助于及時發現污染物動向，以便盡快采取防治手段。隨著生命科學等科技的發展應用，環境監測領域也獲得了新的助力。現代生物技術是一項綜合性技術，具有成本低、對環境破壞小、作用持久等應用優勢，在環境監測工作中發揮了重要作用。目前，常用的現代生物技術共有六種類型，相關研究部門還在不斷研發新的技術應用方式，以及對現有的技術進行優化探索。

一、環境監測中現代生物技術概述

（一）現代生物技術定義

現代生物技術的通俗說法是生物工程，它是一種多學科綜合性極強的技術，建立在包括細胞生物學、遺傳學、分子生物學以及免疫學等在內的現代生命科學基礎之上，對電子技術、計算機技術以及工程技術等進行了綜合利用。通過有機生物或有機物質，人為地使其發生性狀改變，從而制造出計劃中的預期產品。作為一種高新技術，它有敏銳的反應、極高的精準度和簡便易行的技術優勢，非常適用于各類監測作業。

（二）現代生物技術在環境監測中的應用優勢

（1）經濟實用

較之環境監測的傳統技術，引入現代生物技術后可大幅節約作業成本，具有非常好的經濟適用性。生物監測觀察的對象包括生物群落、種群以及個體，記錄它們的生物指標及其對環境產生的影響，以此為據對環境質量做出合理分析。環境監測觀察類型多為微生物或植物，它們須具備多種多樣的類型，且生長繁衍較快，須容易發現其聚集區，類株須極易尋找且不用經費開支，可達到壓縮成本、經濟適用的目的。

（2）破壞性弱，連續性強

環境監測引入現代生物技術，由生物體本身提供監測素材和數據，植物葉子、微生物群落以及動物糞便等都在此列，這種取材方式不會對生態系統或生物帶來任何實質性損害。除此之外，現代生物技術的連續性非常高，在環境污染的監測作業中可實現不間斷監測作業。在環境監測的傳統模式中，定期采樣是主要作業方式，它的即時性很強，片段性也很高，最終反映只是采樣期間的污染信息。利用現代生物技術，可隨時隨地采集環境信息，只要生物體在該區域生存，它所反映出的環境信息，就能準確反映環境的變化過程及程度。

（3）反應靈敏，準確度高

類型不同的生物各自擁有差異巨大的自身結構，其中的某些生物能敏銳感知環境變化。利用它們，可對污染物進行速度極快的甄別，這是環境監測傳統模式完全做不到的。技術人員觀察、記錄以及整理這些環境和生物的關聯性，通過對生物積累和富集的有效利用，切實提升了污染物甄別的靈敏度，環境監測質量和效率也進一步提高。而且環境監測引入現代生物技術能確保精準度。環境監測傳統模式的監測對象是特例或個體，還須設置特定條件。現代生物技術監測的是整個種群，記錄的也是群體在環境變化中的反應，極大豐富了監測數據，環境質量評估結論更客觀精準。

二、現代環境監測中的生物技術

（一）PCR技術

PC R技術就是聚合酶鏈式反應技術，它通過對DNA片段進行截取，由體外完成合成，這種技術非常適用于監測環境有害生物。利用這種技術，還可監測區域環境生存的特殊種群，同時還可跟蹤監測基因工程涉及的菌株或基因表達。利用聚合酶鏈式反應技術，能實現基因突變分子水平級別的快速分析，充分體現技術自身專一靈敏的優勢，對環境監測作用巨大。

（二）生物發光監測技術

這種技術在現代生物技術類型中的地位非常重要。大千世界生物種群豐富，一些生物自帶發光屬性。舉例來說，細菌易感于土壤重金屬元素，可結合含量高低決定發光強弱。現代生物技術通過監測發光強度判定重金屬污染程度，這種環境監測技術方式靈敏度和效率都很高，且操作簡便易行。

（三）生物酶技術

生物酶技術有兩種分類，第一，生物酶抑制技術。環境中的污染物自身特性，使它體外對某種生物酶產生抑制效果，再以適用顯色劑對環境污染物進行含量或有無的監測；第二，酶免疫測定技術。抗體抗原相互之間會有特殊反應，該技術就是利用這種關系完成環境監測。環境監測應用生物酶技術的優勢在于：第一，這種技術充分利用加快有機物降解速度來提高污染物的處理效率，取得良好效果；第二，這種技術讓酶與微生物充分結合，微生物得以更好適應環境，提升了這種技術的適用性；第三，這種技術無須過高成本投入，有很強的針對性，且綠色環保，有利于促進可持續發展。

（四）生物芯片技術

利用生物芯片技術，可快速監測環境中的基因表達。生物在環境中受到污染物作用，細胞基因表達會有變化產生。生物芯片技術就是通過監測這種效應來發揮作用。這種技術是把作用各異的探針固定于芯片，依據不同種類可分為組織、基因和蛋白質等芯片，它們在生物芯片技術中起到載體作用。以它們為基礎分析細胞基因組，能對遺傳物質的突變和多態變化進行精準篩選和利用，推動環境監測更好發展。利用這種技術，可實現污染物對環境及環境中的人與動植物污染狀況的快速監測。

（五）生物傳感技術

生物傳感技術的誕生得益于計算機技術的進步，它的技術特點在于高度集成和自動化。生物傳感能讓生物反應轉化為電信號，測試生物組和監測對象之間作用的關聯性。監測對象的生物反應，被電子元件捕捉后轉化為電信號被電子設備接收并識別，進而研究分析，達到控制監測對象的目的。這種技術的應用，有利于環境監測更好地實現整體進步。

（六）金標免疫速測技術

金標免疫速測技術在現代生物技術中占有重要地位。作為一種新興的環境監測技術，它的誕生是多項相關技術共同促進的結果，對飼料添加劑和牛奶中抗生素等物質的殘留監測非常適用，同時對農藥殘留的監測也很有效。這些方面的監測，在金標免疫速測技術的加持下，可確保結果的迅速得出，并使其準確性得到有效保障。同時這種技術的優勢還在于成本投入很低，具有極強的安全穩定性和特異性，一經問世即獲得普遍歡迎，不僅環境監測中有廣泛用途，同時還得到社會各界適用領域的大力推廣。

三、生物傳感器在環境監測中的試驗實例

（一）芯片原理

芯片本身的表面張力，如果置于微納米量級尺寸下，會有非常突出的表現，較之普通芯片的信號傳輸方式產生了變化，改為流體運輸方式。以試紙條生物傳感器為例，試紙條材質本身具有表面張力和親水性，這種顆粒相互之間的微觀毛細作用負責運輸樣本，而且流體的Taylor-Aris擴散經由孔隙完成，對提高流體運輸的平行穩定性有輔助效果。同時，由于微納米量級是把尺寸進行了壓縮，由此讓電泳以及電滲透等電動力學作用，還有流體相對物質在流體速度方面產生的表面滑移成為對液體輸送造成影響的重要因素，滑移并未產生于親水介質的表面邊界層，而疏水性介質因為各自不等的疏水性，其表面速度滑移產生的最終長度也分為幾十納米或幾百納米，而滑移長度可在極端超級疏水性介質的表面達到向微米量級的擴張程度。生物傳感器還有另一種特點，就是生物傳感器能有效結合靶原，這種靶細胞結合特性在監測酶或蛋白質等生物分子方面完全可以取代信號識別，進而完成相關監測和鑒定。

（二）微流控芯片選材與制備

（1）基于聚芳醚酮的電化學傳感器

納米金屬粒子的特點非常鮮明，它的尺寸量級很小，但是比表面積大，有極高的電催化活性，因而在制作電極電化學傳感器以及電化學修飾等諸多領域獲得廣泛應用，聚芳醚酮金屬納米粒子就是其中之一。這種粒子處于裸電極表面時，能表現出很好的穩定性和負載容量適宜線性，還能在電化學制備方面表現出靈敏性，成為本文分子監測的備選粒子對象。

納米金屬電極制備目前的常用方式包括滴涂法、氧化還原電沉積法、電解法、微乳液法以及蘸涂法等形式。①滴涂法。納米金屬粒子制備成溶液向電極表面直接滴注，這種修飾方法操作過程簡便易行且易于控制，缺陷是穩固性不夠，電極表面滴注的金屬粒子脫落現象高發；②蘸涂法。金屬粒子溶液中浸入電極，電極因吸附而在金屬表面形成一層膜，這種技術的缺陷是金屬涂層不容易保住，脫落現象高發；③氧化還原法和電解法。這兩種技術在目前的金屬粒子制備過程中最為常用，由這兩種技術生成的金屬涂層質地均勻，性能穩定且不易脫落，如果要掌控制備數量，只需調控電位大小即可，非常簡便易行；④微乳液法。這種技術須用到最少兩種或以上溶劑分子，互相之間實現混合與反應，最終得到納米級沉淀，這種技術制備的金屬粒子可達單分子級，活性高，精準度可靠，缺陷是需要投入大量資金，成本高昂，適用范圍限制在前沿科學實驗和研究方面。

（2）聚二乙炔比色試紙條傳感器

聚二乙炔是傳感材料當中非常典型的一種，它的分子結構是準一維共軛形式的。同時，聚二乙炔的光電特性也非常好，一旦遭遇外部刺激，原有的藍色會立即變紅，受到電流刺激時會有熒光散射效應出現，所以在比色熒光傳感器中得到普遍應用。傳統模式中的信息處理輸入輸出、記錄顯示以及儲存，都是通過電流傳感來實現的。聚二乙炔作為一種有機電致變分子材料性能優勢非常明顯，它有卓越的監測效能，通常作為傳感材料在器件內部使用。聚二乙炔用于試紙制備還須引入石墨烯，它在其中是作為導電基質使用的。聚二乙炔和石墨烯有機復合后，可確保材料在電流臨界狀態時色變過程的穩定性，在色差對比度和機械性能方面也有良好的提升效果。需要注意的是，石墨烯與臨界電流的在變化趨勢方面是有同步關聯性的，石墨烯含量變化會引起臨界電流的變化，可據此劃分出明確的區域界限，以此為基礎生成測試紙，整個過程簡便易行且會得到明確的結果。同時，制備復合材料的配必須嚴格掌控，技術標準是石墨烯粉末0.1克給予24兆帕壓力成片規格是12毫米，在氯仿溶液中溶解，單體溶液規格是每毫升45毫克，在壓片表面實現均勻涂抹和全覆蓋，在通風狀態下實施24小時干燥后生成成片，給予10分鐘紫外線誘導照射，最終的復合材料為暗藍色。

（三）微納米流控芯片環境監測應用

過氧化氫的通俗說法是雙氧水，它有很好的消毒殺菌作用，在工業，醫學以及軍用方面應用廣泛。工業生產使用雙氧水主要是制備過碳酸鈉、硼酸鈉以及亞氯酸鈉等，水體清潔作業也很常用。20世紀80年代，科學研究證實雙氧水有致癌性，會傷害人體，也會誘發基因突變和損害遺傳物質，對環境造成危害。本文對環境中的雙氧水污染物進行監測分析，是建立在聚芳醚酮電化學傳感器基礎上的。

聚芳醚酮磺化溶液3毫升向干燥裸玻璃電極滴注晾干，加入銅極完成輔助電極修飾制備，在PH值為7的磷酸鹽緩沖溶液中加入2毫摩爾每升的雙氧水，對電極實施循環伏安曲線的動態監測，可知在SPAEK/GCE修飾電極和裸GCE電極溶液CV圖中，曲線變化均不明顯。而在CuNPs-SPAEK/GCE修飾電極CV圖中，可明顯看到-0.15V和0.20V點峰值電流有巨大幅度的波動。同時在中間區間峰值明顯較低，這與修飾電極對H2O2的催化與還原作用效果相符。依據特定地電位下不同濃度的H2O2溶液與電流的線性關系曲線，如圖1所示，可對溶液中的H2O2含量進行電化學定量分析。在-0.2V的電位下，向pH=7.0的PBS緩沖溶液中連續加入不同濃度H2O2，濃度由最初的5μmog/L依次增加至320μmog/L，可得到圖中a曲線。若是再加入標準樣品，響應電流曲線也會同步增加，且增量與濃度成正比。此外，對比a、b、c、d、e、f曲線可知，系統在濃度變化中沒有明顯的基線漂移，具備良好的穩定性。

圖1 不同電位PBS緩沖液中對H2O2的i-t響應曲線

四、結束語

綜上所述，經濟、靈敏、準確、持久的優勢，使現代生物技術在環境監測中發揮了特有的效果。目前，常用的現代生物技術類型較為多樣，但仍有其各自的局限性，在實際的環境監測工作中需要根據實際環境條件靈活應用技術。同時在應用實踐中，還需要優化和創新技術應用方法，不斷探索現代生物技術與環境監測結合的新型技術，讓技術更好地服務于環境保護事業，切實改善地球生態環境，實現可持續發展。