现代生物技术在环境监测中的应用

山东厚德环保科技有限公司 左广涛

环境监测是环境保护工作的前提基础，为制定环保措施提供数据支持，有助于及时发现污染物动向，以便尽快采取防治手段。随着生命科学等科技的发展应用，环境监测领域也获得了新的助力。现代生物技术是一项综合性技术，具有成本低、对环境破坏小、作用持久等应用优势，在环境监测工作中发挥了重要作用。目前，常用的现代生物技术共有六种类型，相关研究部门还在不断研发新的技术应用方式，以及对现有的技术进行优化探索。

一、环境监测中现代生物技术概述

（一）现代生物技术定义

现代生物技术的通俗说法是生物工程，它是一种多学科综合性极强的技术，建立在包括细胞生物学、遗传学、分子生物学以及免疫学等在内的现代生命科学基础之上，对电子技术、计算机技术以及工程技术等进行了综合利用。通过有机生物或有机物质，人为地使其发生性状改变，从而制造出计划中的预期产品。作为一种高新技术，它有敏锐的反应、极高的精准度和简便易行的技术优势，非常适用于各类监测作业。

（二）现代生物技术在环境监测中的应用优势

（1）经济实用

较之环境监测的传统技术，引入现代生物技术后可大幅节约作业成本，具有非常好的经济适用性。生物监测观察的对象包括生物群落、种群以及个体，记录它们的生物指标及其对环境产生的影响，以此为据对环境质量做出合理分析。环境监测观察类型多为微生物或植物，它们须具备多种多样的类型，且生长繁衍较快，须容易发现其聚集区，类株须极易寻找且不用经费开支，可达到压缩成本、经济适用的目的。

（2）破坏性弱，连续性强

环境监测引入现代生物技术，由生物体本身提供监测素材和数据，植物叶子、微生物群落以及动物粪便等都在此列，这种取材方式不会对生态系统或生物带来任何实质性损害。除此之外，现代生物技术的连续性非常高，在环境污染的监测作业中可实现不间断监测作业。在环境监测的传统模式中，定期采样是主要作业方式，它的即时性很强，片段性也很高，最终反映只是采样期间的污染信息。利用现代生物技术，可随时随地采集环境信息，只要生物体在该区域生存，它所反映出的环境信息，就能准确反映环境的变化过程及程度。

（3）反应灵敏，准确度高

类型不同的生物各自拥有差异巨大的自身结构，其中的某些生物能敏锐感知环境变化。利用它们，可对污染物进行速度极快的甄别，这是环境监测传统模式完全做不到的。技术人员观察、记录以及整理这些环境和生物的关联性，通过对生物积累和富集的有效利用，切实提升了污染物甄别的灵敏度，环境监测质量和效率也进一步提高。而且环境监测引入现代生物技术能确保精准度。环境监测传统模式的监测对象是特例或个体，还须设置特定条件。现代生物技术监测的是整个种群，记录的也是群体在环境变化中的反应，极大丰富了监测数据，环境质量评估结论更客观精准。

二、现代环境监测中的生物技术

（一）PCR技术

PC R技术就是聚合酶链式反应技术，它通过对DNA片段进行截取，由体外完成合成，这种技术非常适用于监测环境有害生物。利用这种技术，还可监测区域环境生存的特殊种群，同时还可跟踪监测基因工程涉及的菌株或基因表达。利用聚合酶链式反应技术，能实现基因突变分子水平级别的快速分析，充分体现技术自身专一灵敏的优势，对环境监测作用巨大。

（二）生物发光监测技术

这种技术在现代生物技术类型中的地位非常重要。大千世界生物种群丰富，一些生物自带发光属性。举例来说，细菌易感于土壤重金属元素，可结合含量高低决定发光强弱。现代生物技术通过监测发光强度判定重金属污染程度，这种环境监测技术方式灵敏度和效率都很高，且操作简便易行。

（三）生物酶技术

生物酶技术有两种分类，第一，生物酶抑制技术。环境中的污染物自身特性，使它体外对某种生物酶产生抑制效果，再以适用显色剂对环境污染物进行含量或有无的监测；第二，酶免疫测定技术。抗体抗原相互之间会有特殊反应，该技术就是利用这种关系完成环境监测。环境监测应用生物酶技术的优势在于：第一，这种技术充分利用加快有机物降解速度来提高污染物的处理效率，取得良好效果；第二，这种技术让酶与微生物充分结合，微生物得以更好适应环境，提升了这种技术的适用性；第三，这种技术无须过高成本投入，有很强的针对性，且绿色环保，有利于促进可持续发展。

（四）生物芯片技术

利用生物芯片技术，可快速监测环境中的基因表达。生物在环境中受到污染物作用，细胞基因表达会有变化产生。生物芯片技术就是通过监测这种效应来发挥作用。这种技术是把作用各异的探针固定于芯片，依据不同种类可分为组织、基因和蛋白质等芯片，它们在生物芯片技术中起到载体作用。以它们为基础分析细胞基因组，能对遗传物质的突变和多态变化进行精准筛选和利用，推动环境监测更好发展。利用这种技术，可实现污染物对环境及环境中的人与动植物污染状况的快速监测。

（五）生物传感技术

生物传感技术的诞生得益于计算机技术的进步，它的技术特点在于高度集成和自动化。生物传感能让生物反应转化为电信号，测试生物组和监测对象之间作用的关联性。监测对象的生物反应，被电子元件捕捉后转化为电信号被电子设备接收并识别，进而研究分析，达到控制监测对象的目的。这种技术的应用，有利于环境监测更好地实现整体进步。

（六）金标免疫速测技术

金标免疫速测技术在现代生物技术中占有重要地位。作为一种新兴的环境监测技术，它的诞生是多项相关技术共同促进的结果，对饲料添加剂和牛奶中抗生素等物质的残留监测非常适用，同时对农药残留的监测也很有效。这些方面的监测，在金标免疫速测技术的加持下，可确保结果的迅速得出，并使其准确性得到有效保障。同时这种技术的优势还在于成本投入很低，具有极强的安全稳定性和特异性，一经问世即获得普遍欢迎，不仅环境监测中有广泛用途，同时还得到社会各界适用领域的大力推广。

三、生物传感器在环境监测中的试验实例

（一）芯片原理

芯片本身的表面张力，如果置于微纳米量级尺寸下，会有非常突出的表现，较之普通芯片的信号传输方式产生了变化，改为流体运输方式。以试纸条生物传感器为例，试纸条材质本身具有表面张力和亲水性，这种颗粒相互之间的微观毛细作用负责运输样本，而且流体的Taylor-Aris扩散经由孔隙完成，对提高流体运输的平行稳定性有辅助效果。同时，由于微纳米量级是把尺寸进行了压缩，由此让电泳以及电渗透等电动力学作用，还有流体相对物质在流体速度方面产生的表面滑移成为对液体输送造成影响的重要因素，滑移并未产生于亲水介质的表面边界层，而疏水性介质因为各自不等的疏水性，其表面速度滑移产生的最终长度也分为几十纳米或几百纳米，而滑移长度可在极端超级疏水性介质的表面达到向微米量级的扩张程度。生物传感器还有另一种特点，就是生物传感器能有效结合靶原，这种靶细胞结合特性在监测酶或蛋白质等生物分子方面完全可以取代信号识别，进而完成相关监测和鉴定。

（二）微流控芯片选材与制备

（1）基于聚芳醚酮的电化学传感器

纳米金属粒子的特点非常鲜明，它的尺寸量级很小，但是比表面积大，有极高的电催化活性，因而在制作电极电化学传感器以及电化学修饰等诸多领域获得广泛应用，聚芳醚酮金属纳米粒子就是其中之一。这种粒子处于裸电极表面时，能表现出很好的稳定性和负载容量适宜线性，还能在电化学制备方面表现出灵敏性，成为本文分子监测的备选粒子对象。

纳米金属电极制备目前的常用方式包括滴涂法、氧化还原电沉积法、电解法、微乳液法以及蘸涂法等形式。①滴涂法。纳米金属粒子制备成溶液向电极表面直接滴注，这种修饰方法操作过程简便易行且易于控制，缺陷是稳固性不够，电极表面滴注的金属粒子脱落现象高发；②蘸涂法。金属粒子溶液中浸入电极，电极因吸附而在金属表面形成一层膜，这种技术的缺陷是金属涂层不容易保住，脱落现象高发；③氧化还原法和电解法。这两种技术在目前的金属粒子制备过程中最为常用，由这两种技术生成的金属涂层质地均匀，性能稳定且不易脱落，如果要掌控制备数量，只需调控电位大小即可，非常简便易行；④微乳液法。这种技术须用到最少两种或以上溶剂分子，互相之间实现混合与反应，最终得到纳米级沉淀，这种技术制备的金属粒子可达单分子级，活性高，精准度可靠，缺陷是需要投入大量资金，成本高昂，适用范围限制在前沿科学实验和研究方面。

（2）聚二乙炔比色试纸条传感器

聚二乙炔是传感材料当中非常典型的一种，它的分子结构是准一维共轭形式的。同时，聚二乙炔的光电特性也非常好，一旦遭遇外部刺激，原有的蓝色会立即变红，受到电流刺激时会有荧光散射效应出现，所以在比色荧光传感器中得到普遍应用。传统模式中的信息处理输入输出、记录显示以及储存，都是通过电流传感来实现的。聚二乙炔作为一种有机电致变分子材料性能优势非常明显，它有卓越的监测效能，通常作为传感材料在器件内部使用。聚二乙炔用于试纸制备还须引入石墨烯，它在其中是作为导电基质使用的。聚二乙炔和石墨烯有机复合后，可确保材料在电流临界状态时色变过程的稳定性，在色差对比度和机械性能方面也有良好的提升效果。需要注意的是，石墨烯与临界电流的在变化趋势方面是有同步关联性的，石墨烯含量变化会引起临界电流的变化，可据此划分出明确的区域界限，以此为基础生成测试纸，整个过程简便易行且会得到明确的结果。同时，制备复合材料的配必须严格掌控，技术标准是石墨烯粉末0.1克给予24兆帕压力成片规格是12毫米，在氯仿溶液中溶解，单体溶液规格是每毫升45毫克，在压片表面实现均匀涂抹和全覆盖，在通风状态下实施24小时干燥后生成成片，给予10分钟紫外线诱导照射，最终的复合材料为暗蓝色。

（三）微纳米流控芯片环境监测应用

过氧化氢的通俗说法是双氧水，它有很好的消毒杀菌作用，在工业，医学以及军用方面应用广泛。工业生产使用双氧水主要是制备过碳酸钠、硼酸钠以及亚氯酸钠等，水体清洁作业也很常用。20世纪80年代，科学研究证实双氧水有致癌性，会伤害人体，也会诱发基因突变和损害遗传物质，对环境造成危害。本文对环境中的双氧水污染物进行监测分析，是建立在聚芳醚酮电化学传感器基础上的。

聚芳醚酮磺化溶液3毫升向干燥裸玻璃电极滴注晾干，加入铜极完成辅助电极修饰制备，在PH值为7的磷酸盐缓冲溶液中加入2毫摩尔每升的双氧水，对电极实施循环伏安曲线的动态监测，可知在SPAEK/GCE修饰电极和裸GCE电极溶液CV图中，曲线变化均不明显。而在CuNPs-SPAEK/GCE修饰电极CV图中，可明显看到-0.15V和0.20V点峰值电流有巨大幅度的波动。同时在中间区间峰值明显较低，这与修饰电极对H2O2的催化与还原作用效果相符。依据特定地电位下不同浓度的H2O2溶液与电流的线性关系曲线，如图1所示，可对溶液中的H2O2含量进行电化学定量分析。在-0.2V的电位下，向pH=7.0的PBS缓冲溶液中连续加入不同浓度H2O2，浓度由最初的5μmog/L依次增加至320μmog/L，可得到图中a曲线。若是再加入标准样品，响应电流曲线也会同步增加，且增量与浓度成正比。此外，对比a、b、c、d、e、f曲线可知，系统在浓度变化中没有明显的基线漂移，具备良好的稳定性。

图1 不同电位PBS缓冲液中对H2O2的i-t响应曲线

四、结束语

综上所述，经济、灵敏、准确、持久的优势，使现代生物技术在环境监测中发挥了特有的效果。目前，常用的现代生物技术类型较为多样，但仍有其各自的局限性，在实际的环境监测工作中需要根据实际环境条件灵活应用技术。同时在应用实践中，还需要优化和创新技术应用方法，不断探索现代生物技术与环境监测结合的新型技术，让技术更好地服务于环境保护事业，切实改善地球生态环境，实现可持续发展。