生物技术在环境监测中的应用

项慰刚

（华中科技大学文华学院，湖北 武汉 430074）

随着社会的不断发展，人口不断增长，环境污染日趋严重。治理污染，保护环境已经成为全人类的深切呼声。50年代，即早起的环境监测主要采用分析化学的方法对污染物进行分析，但由于环境污染物含量低(通常是p p m或p p b级别)、变化快，检测结果往往不很理想。

近些年来，以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程为代表的现代生物技术发展迅猛，并日益影响和改变着人们的生产和生活方式。所谓生物技术是指“用活的生物体(或生物体的物质)来改进产品、改良植物和动物，或为特殊用途而培养微生物的技术”。随着对环境污染认识地不断加深，污染对生物群和人类健康的影响渐渐显露出来。单单依靠理化监测并不能反映出污染物对生物体及生态系统影响的综合效应，所以利用生物对环境污染进行监测，通过不同的层次和方面分析污染危害的程度，已成为一种被广为接受和有效的环境监测手段。生物技术应用与环境管理，是为了推动工业的可持续发展，1998年，经济合作与发展组织认为生物技术将对工业的持续发展起着十分关键的作用，鼓励其成员国支持工业和环境生物技术的研究。

现代生物技术建立了一类新的快速准确监测与评价环境的有效方法，主要包括利用新的指示生物、利用核酸探针和利用生物传感器。人们分别用细菌、原生动物、藻类、高等植物和鱼类等作为指示生物，监测它们对环境的反应，边能对环境质量做出评价。

1 生物传感器技术

随着生物技术及电子科技的迅速发展，生物传感技术已逐渐成为一个新兴的高科技领域。由于传感器具有高度自动化、微型化与集成化的特点，能提供有效而快速的分析手段而代替传统的实验室技术，从而为生物医药、环境检测、食品工业等领域带来新的技术革命。

生物传感器以生物分子去识别被测目标，然后通过信号系统将生物分子所发生的物理或化学变化转化为相应的电信号予以输出放大，从而得到监测结果。生物传感器技术是建立在固定化细胞和固定化酶技术的基础之上的。生物传感器技术发展较快，目前在水质监测中已得到广泛应用的有B O D生物传感器，氨生物传感器，亚硝酸生物传感器，乙醇生物传感器，氧化还原电位（O R P）生物传感器，菌浓度检测器，底物及代谢浓度检测器等。这些生物传感器的开发和应用不仅克服了传统检测方法繁琐、准确性差、不能及时反映水质状况的缺点，还为自动连续监测、污水处理设施连续在线监测提供了可能，因而为整个水处理事业的自动化打下了基础。

2 生物大分子标记物

生物大分子标记物是指生物体内的一些对外界环境变化敏感并能产生一些可监测变化的大分子物质，这些大分子物质能够反映环境变化对生物体的影响。随着社会对环境保护的日益重视和分子生物技术的发展，将生物大分子标记物的

监测应用到环境监测中已成为一种趋势。生物大分子标记物检测忧郁其测定指标全面、准确、系统且具有特异性等优点，近十几年来作为污染物暴露和毒性效应的早期预警工具已被广泛应用于环境监测和评价中。例如，核酸分子标记物检测，蛋白分子标记物检测。

3 基因探针、PCR技术

近年来，国内外有关核酸探针、PCR（Polymerase Chain Reaction）技术用于细菌、病毒检测的报道日益增多。非放射性核酸探针的灵敏度和特异性基本上达到了反射性同位素标记探针的水平，使核酸杂交技术检测各种微生物更为安全、方便、快捷。目前已可利用核酸探针来检测水环境中的致病菌，如大肠杆菌、志贺氏菌、沙门氏菌、耶尔森氏菌等腹泻性致病菌。核酸探针也可用于监测乙肝病毒、艾滋病病毒等病毒。PCR技术适用于目前尚不能培养的微生物检测，可用于水样中的细胞检测。随着技术的完善及成本的降低，今后核酸探针和PCR技术可能发展为一种快速可靠并可能代替常规水质微生物检验的方法。

4 酶免疫监测

酶免疫监测（enzymeimmunoassay，EIA）是根据抗原体反应具有高度的特异性，以酶作为标记物，与已知抗体结合，但不影响其免疫学特性，然后将酶标记物的抗体作为标准试剂来鉴定未知的抗原。酶联免疫吸附检测（enzymelinkedimmunosorbentassay，ELISA）是目前最常用的监测方法。ELIAS是根据EIA的原理而发展的一种固相免疫技术，可供实验室和野外测试。

5 生物发光检测技术

自然界中许多生物具有发光现象，如细菌、真菌、昆虫等，发光菌是一类能运动的革兰氏阴性兼性厌氧杆菌。从环境中选择自身具有发射荧光特性的细菌作为指示菌，土壤中重金属的存在会影响该指示菌的生理指标，以其放射荧光的强度大小作为环境检测的指标。该发射荧光特性的细菌也可以用于对土壤中樟脑球和其他混合毒物的检测。

目前，国外报道了以荧光细菌作为敏感材料的生物传感器用于检测污泥中的重金属Z n和C u，结果灵敏直观。在这些发光菌中催化生物发光反应的酶称为荧光脂酶，而编码荧光脂酶的生物发光基因——l u x基因已全部得到克隆和表达。一些细菌长期生活在含某种化学物质的自然环境中，产生了适应现象，细菌基因组中含对该化学物具有特异性的诱导基因及降解基因。将这些基因与l u x基因融合构成重组体，在特异的化学物存在时产生诱导作用，启动诱导基因并导致l u x基因表达。构成的基因工程菌可用来检测环境中存在的萘、P C B、汞、苯系物、氮等特异的化学污染物，有重组体的发光与否就可得知某化学物是否存在。借助于适宜的载体将重组体导入宿主细菌将荧光基因作为一报告基因，可将其导入应用基因工程微生物中，从而只需用过对光线的检测就可对微生物在环境中的生长、活性、分布等进行实时在线监测。

与常规检测方法比较，生物发光检测技术灵敏度高、特异性强、检测快速方面。如今生物发光检测技术正与生物传感器技术、细胞固定化技术以及计算技术紧密结合，内容逐步完善，自动化水平也日益提高。

6 生物芯片技术

生物芯片技术是20世纪90年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一，其中基因芯片进行的表达水平检测可自动、快速地检测出成千上万个基因的表达情况。在环境污染物的影响下，敏感生物个体细胞的基因表达丰度会发生相当程度的变化，分析基因组D N A中的变化序列以筛选出D N A突变和多态性变化，寻找与正常表达的差异，单独地或混合地确定毒物质对敏感生物基因水平上的影响以及影响的程度，以此来检测环境中的污染物及其生物效应。

目前，环境科学家已经意识到将生物芯片技术引入环境科学家研究中的重大意义：“环境基因学”已成为国外基因学研究中的新概念和新方向，而生物芯片正是研究“环境基因学”的重要手段，能快速反映环境因素对人类基因的影响。国内这方面的工作报道很少，但科技部和国家自然科学基金委都已经将此列为前沿课题项目。

7 结语

迄今为止，现代生物技术用于环境监测，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的灵敏度相对其他方法较高，当对温度的依赖性强，不便于在线检测；生物发光检测技术受荧光生物体本身生理状况的限制较大而影响方法的重复性；PCR、芯片技术的应用在于它的信息量远高于其他技术，但这需要建立大量的有关毒理基因信息库。

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