微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用研究

程明鋒，趙立立

（臨沂市沂水縣環(huán)境監(jiān)控中心，山東 臨沂 276400）

目前，微生物檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測中[1-2]。常見的微生物檢測技術(shù)有兩種，一是微生物傳感器，二是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）。結(jié)合微生物傳感器和PCR 的原理，本文構(gòu)建應(yīng)用可靠性評價模型對常見的微生物檢測技術(shù)進(jìn)行評價，然后提出建議，使得微生物檢測技術(shù)更好地應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測中。

1 微生物傳感器在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

微生物傳感器是微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的重要應(yīng)用，其核心是利用微生物反應(yīng)產(chǎn)生的信號來定量或定性檢測生物活性物質(zhì)[3]。微生物對環(huán)境較為敏感，當(dāng)生長環(huán)境出現(xiàn)波動時，微生物將通過釋放電信號等方式進(jìn)行響應(yīng)與反饋，在生物膜中對上述信息進(jìn)行電化學(xué)轉(zhuǎn)換，可以獲得與微生物活動相關(guān)的電信號曲線，并將其作為水質(zhì)敏感指標(biāo)的檢測方式。微生物傳感器主要包括生長單元（一般為生物膜）、接收單元（一般為包括放大器的單片機(jī)）以及運(yùn)算顯示單元，在上述軟硬件的支持下，微生物傳感器可以在較短時間內(nèi)直接反映水體中污染物的變化，并實(shí)現(xiàn)持續(xù)的實(shí)時監(jiān)控。

以水體化學(xué)需氧量（COD）的快速檢測為例，其微生物傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。將微生物電極置入1 個半密閉容器中，陽極以厭氧微生物為主體，與水體直接接觸，陰極以好氧微生物為主體，與空氣直接接觸。當(dāng)被監(jiān)測水體中存在有機(jī)物時，陽極中的微生物會利用水體中的有機(jī)物進(jìn)行厭氧反應(yīng)并釋放生物電，生物電通過簡單電路系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至陰極，成為好氧微生物的還原劑來源，進(jìn)而形成基于微生物的電氧化還原反應(yīng)，從而對水體環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價。此外，可利用電化學(xué)電極對水體中的微生物、酶、細(xì)胞器以及動植物組織進(jìn)行檢測，形成酶傳感器、組織傳感器等多種有效產(chǎn)品，可利用半導(dǎo)體技術(shù)對抗體、抗原進(jìn)行監(jiān)控，形成免疫傳感器。目前，微生物傳感器的應(yīng)用正在朝綜合化、智能化等方向發(fā)展，前端微生物傳感器獲得有效數(shù)據(jù)后，后端算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校準(zhǔn)與邏輯分析，能夠獲得更為快速與綜合的結(jié)果輸出，提高水質(zhì)監(jiān)測效率。

圖1 水質(zhì)COD 檢測的微生物傳感器結(jié)構(gòu)

2 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）的本質(zhì)是微生物遺傳物質(zhì)的擴(kuò)增檢測，其能夠?qū)λw中的微生物種群數(shù)量進(jìn)行有效識別，而水體微生物種群數(shù)量是表征水質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)[4-5]。PCR 技術(shù)具有高靈敏度、快速簡單等優(yōu)勢，是生物檢測技術(shù)的重要突破。PCR 技術(shù)的基本原理是通過物理方式對水體中微生物的基因片段進(jìn)行破壞，使其強(qiáng)制分為兩段堿基單鏈，在外源堿基對環(huán)境下，脫氧核糖核酸（DNA）單鏈會進(jìn)行自我復(fù)制，進(jìn)而形成兩條完整的DNA 解螺旋分子，此時完成第一輪擴(kuò)增，擴(kuò)增的數(shù)量增加是指數(shù)級的，擴(kuò)增多輪后，可以對水體中的痕量微生物進(jìn)行檢測。研究表明，環(huán)境溫度為70 ℃時，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最為明顯，反應(yīng)效果也最理想。

PCR 技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用可以分為兩種，即直接應(yīng)用與間接應(yīng)用。可以利用PCR 技術(shù)對水體中的特定致病細(xì)菌進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果直接判斷水質(zhì)達(dá)標(biāo)與否。同時，PCR 技術(shù)能夠通過敏感細(xì)菌間接表征水體中的復(fù)雜化合物。

3 微生物檢測技術(shù)的應(yīng)用可靠性評價

微生物檢測技術(shù)的應(yīng)用較為復(fù)雜。本文以模糊評價為基礎(chǔ)，以專家調(diào)研及層次分析為主要數(shù)據(jù)分析方法，對不同影響指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計算，進(jìn)而評價微生物檢測技術(shù)的應(yīng)用可靠性。

3.1 模糊評價模型

模糊評價模型的核心是對評價目的進(jìn)行層次分解，將主觀分析下能夠考量的全部影響因素納入其中，并建立對應(yīng)的數(shù)量關(guān)系。本文研究對象是微生物檢測技術(shù)在應(yīng)用過程中的影響因素，以準(zhǔn)確性與可靠性為核心，其指標(biāo)關(guān)系包括累加、疊加、消減等，故而需要構(gòu)建模糊評價模型，如式（1）所示。可靠性的累加與消減利用加權(quán)計算中的加號與減號進(jìn)行區(qū)別，其中加號表示此指標(biāo)完善程度的提升會增加微生物檢測技術(shù)的總體可靠性，反之則表示會增加系統(tǒng)風(fēng)險，降低可靠性。

式中：Q為模糊評價結(jié)果，表示微生物檢測技術(shù)的應(yīng)用可靠性；a為評價項(xiàng)目的權(quán)重；X為疊加項(xiàng)；Y為累加及消減項(xiàng)；m為累計項(xiàng)目數(shù)；n為模糊評價起始數(shù)；b為累加與消減項(xiàng)權(quán)重系數(shù)；e為常數(shù)項(xiàng)。

3.2 層次分析的指標(biāo)選取與權(quán)重計算

從模糊評價模型不難發(fā)現(xiàn)，要想確定不同微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用可靠性，必須對其風(fēng)險因子進(jìn)行逐一識別，并進(jìn)行權(quán)重賦值計算。首先，對影響因素進(jìn)行匯總并標(biāo)記其屬性，如表1所示。

表1 微生物檢測技術(shù)應(yīng)用可靠性評價的影響因素

確定基礎(chǔ)指標(biāo)后，要進(jìn)行第一輪模糊評價。通過調(diào)查問卷等方式獲得專家對指標(biāo)重要性的打分賦值，重要性及必要性均在0～10 區(qū)間進(jìn)行賦值，其中0 代表不重要與不必要；10 則代表重要與必要。本次調(diào)查選取17 位該領(lǐng)域內(nèi)的專家學(xué)者，其中，水質(zhì)監(jiān)測人員有9 位，高校研究學(xué)者有5 位，實(shí)驗(yàn)室管理人員有3 位。獲得基礎(chǔ)的一手資料后，要根據(jù)式（2）計算其權(quán)重。根據(jù)第一輪模糊評價結(jié)果進(jìn)行計算，獲得不同維度的權(quán)重信息，整理后，微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的模糊評價模型如式（3）所示。

式中：Aj表示指標(biāo)權(quán)重得分矩陣；Rjk表示指標(biāo)模糊矩陣變換相乘后取整值；j表示起始項(xiàng)；m表示評價指標(biāo)總項(xiàng)數(shù)；k表示二級指標(biāo)數(shù)量。

3.3 微生物檢測技術(shù)應(yīng)用可靠性評價結(jié)果

確定模糊評價模型后，要對不同微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用可靠性開展評價，具體方法是在專家?guī)熘须S機(jī)抽取專家，可以與第一輪模糊評價重合。讓專家按照不同的指標(biāo)體系分別對當(dāng)前主要應(yīng)用的微生物檢測技術(shù)進(jìn)行逐項(xiàng)打分。獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料后，將其按照不同的指標(biāo)體系帶入式（3）中，可以求得不同微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用可靠性評價結(jié)果，通過對比可以對其應(yīng)用場景與注意事項(xiàng)進(jìn)行探討。經(jīng)過整理，本文對包括微生物傳感器、PCR技術(shù)在內(nèi)的多種微生物檢測技術(shù)進(jìn)行評價，結(jié)果如表2所示。

表2 不同微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用可靠性評價結(jié)果

表2 數(shù)據(jù)顯示，不同微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用可靠性存在差異，一級指標(biāo)評價結(jié)果和綜合得分不盡相同。其中，X項(xiàng)表示可檢測范圍，該數(shù)值越高，說明該技術(shù)可以對越多的水體污染物進(jìn)行有效檢測；Y項(xiàng)表示技術(shù)復(fù)雜度，該數(shù)值越高，說明操作方法越成熟，操作風(fēng)險越低；Z項(xiàng)表示環(huán)境要求，該數(shù)值越高，說明該技術(shù)對外部條件的要求越低，實(shí)現(xiàn)成本越小；W項(xiàng)表示技術(shù)對檢測設(shè)備的要求，數(shù)字越高，說明要求越低。從綜合得分來看，微生物傳感器的可靠性最高，其次分別為基因工程技術(shù)和指示菌技術(shù)，PCR 技術(shù)和酶免疫技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的可靠性最低。

3.4 微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用建議

模糊評價結(jié)果顯示，不同微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用可靠性存在差異。在應(yīng)用微生物檢測技術(shù)時，要明確注意事項(xiàng)。一是從技術(shù)現(xiàn)狀入手，微生物檢測技術(shù)的應(yīng)用還存在一定的局限性。要根據(jù)檢測項(xiàng)目靈活選取微生物檢測手段，擴(kuò)大微生物的應(yīng)用范圍，同時提高技術(shù)應(yīng)用的可靠性，做好水質(zhì)監(jiān)測效果評估。二是相比物理化學(xué)方法，微生物檢測技術(shù)在應(yīng)用過程中對人員及環(huán)境的要求較高。在水質(zhì)監(jiān)測中，要保障設(shè)備的精準(zhǔn)度，以獲得有效結(jié)果；要強(qiáng)化對操作人員（包括現(xiàn)場采樣人員）的技能培訓(xùn)，提高其檢測技術(shù)能力，以實(shí)現(xiàn)合規(guī)檢測；通過流程設(shè)置與優(yōu)化，形成微生物檢測技術(shù)規(guī)范，避免人為失誤造成檢測結(jié)果偏差。三是微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中對外部條件的要求較高，需要在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，做好實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度等外部環(huán)境指標(biāo)的控制，可以有效提高微生物檢測效率與準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

當(dāng)前，微生物傳感器及PCR 技術(shù)是水質(zhì)監(jiān)測中應(yīng)用較為廣泛的微生物檢測技術(shù)。本文以模糊評價模型為基礎(chǔ)，確定檢測過程的各項(xiàng)影響指標(biāo)，并經(jīng)過兩輪模糊評價，確定影響指標(biāo)的權(quán)重，評價不同微生物檢測技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用可靠性，然后提出保障性措施，為后續(xù)技術(shù)推廣與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的微生物檢測技術(shù)中，微生物傳感器更為成熟。在水質(zhì)監(jiān)測中，不同微生物檢測技術(shù)的應(yīng)用可靠性存在差異，因此要因地制宜，靈活選用微生物檢測技術(shù)。