微生物傳感器的應(yīng)用與展望

0生物傳感器的應(yīng)用由于追求經(jīng)濟(jì)效益，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)不高，污染突出，但傳統(tǒng)的檢測(cè)方法通常需要一定的分析技術(shù)。在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，人們應(yīng)該找到一種簡(jiǎn)單、快速、便捷的檢測(cè)各種有機(jī)和有機(jī)物的方法。生物傳感器可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。根據(jù)生物傳感器中所用分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)不同,可以將生物傳感器分為:酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器。其中酶?jìng)鞲衅骱臀⑸飩鞲衅餮芯康米疃?應(yīng)用也最為廣泛。本文主要介紹微生物傳感器的發(fā)展及其在環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)用。1微生物傳感器微生物傳感器是指利用一定的固定化方法將生物敏感元件(對(duì)特定污染物有感應(yīng)能力的微生物菌株)與具有信號(hào)轉(zhuǎn)換功能的介質(zhì)相連,并借助一定的設(shè)備將信號(hào)放大輸出。由于微生物傳感器的核心部分是具有生物活性的微生物細(xì)胞,而微生物在其數(shù)量、大小、繁殖、遺傳改造等方面均具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),因此可以滿(mǎn)足環(huán)境監(jiān)測(cè)中快速簡(jiǎn)單、原位、低成本的要求。1975年Devis制成了第一支微生物傳感器。在微生物傳感器研制中最關(guān)鍵的是微生物的固定技術(shù),固定后的微生物應(yīng)盡可能保證細(xì)胞活性和避免細(xì)胞從膜中流失,以延長(zhǎng)微生物傳感器的使用壽命,傳統(tǒng)的生物材料固定方法包括物理吸附、共價(jià)鍵合、交聯(lián)到一定的載體基質(zhì)上或包埋于有機(jī)聚合物的基質(zhì)中,然而這些方法都存在穩(wěn)定期短和固定時(shí)引起微生物的損傷等缺陷。納米技術(shù)的出現(xiàn)提供另一種更好的固定方法,納米管與聚合物復(fù)合材料用于電化學(xué)傳感具有很多優(yōu)點(diǎn),如制備簡(jiǎn)單,易于制成同一厚度的膜等,可以有效地提高生物傳感器的重現(xiàn)性。導(dǎo)電聚合物(如聚吡咯、聚苯胺、聚嚷吩等)制成的導(dǎo)電聚合物膜具有良好的導(dǎo)電性,易于電子在生物活性物質(zhì)與電極之間傳遞,可用于制作第三代生物傳感器。10年前已經(jīng)出現(xiàn)的微生物燃料電池((MicrobialFuelCell,MFC))技術(shù)正進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期,這些進(jìn)步均有助于促進(jìn)了微生物傳感技術(shù)的發(fā)展。2環(huán)境評(píng)估的應(yīng)用2.1酸雨微生物傳感器SO2是酸雨酸霧形成的主要原因,傳統(tǒng)的檢測(cè)方法很復(fù)雜。Sasaki(1997)將一種氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans)制成微生物傳感器,可以監(jiān)測(cè)酸雨中的硫酸鹽。王曉輝等分別以氧化硫硫桿菌和多功能硫桿菌為分子識(shí)別元件,制備了硫化物和亞硫酸鹽微生物電極,實(shí)驗(yàn)證明,電極的響應(yīng)時(shí)間為3~6分鐘,以氧化硫硫桿菌為分子識(shí)別元件的電極選擇性好,它對(duì)S2-的線(xiàn)性范圍為0.06~3.0mg/L,對(duì)SO32-的線(xiàn)性范圍為0.7~32mg/L。但對(duì)于此類(lèi)傳感器后續(xù)報(bào)道不多。此外還有用于NO2檢測(cè)的微生物傳感器。2.2水質(zhì)監(jiān)護(hù)儀2.2.1微生物傳感器檢測(cè)生化需氧量(BiochemicalOxygenDemand)簡(jiǎn)稱(chēng)BOD,是水體中微生物分解有機(jī)物的過(guò)程中消耗水中溶解氧的量,以mg/L表示。BOD的測(cè)定對(duì)控制水體污染具有更重要的意義,傳統(tǒng)測(cè)定BOD的方法需要5天,用傳感器測(cè)定只需十幾至幾十分鐘,胡磊等采用接枝二茂鐵為介體的微生物傳感器測(cè)量污水的BOD。結(jié)果表明,傳感器的線(xiàn)性范圍為2~300mg/L,連續(xù)測(cè)量20個(gè)樣品的精密度為4.2%,能連續(xù)工作35天。通過(guò)對(duì)實(shí)際水樣的測(cè)試表明,測(cè)得的BOD與BOD5,具有良好的相關(guān)性。雖然微生物電極法可縮短測(cè)定時(shí)間,但微生物固定化膜的制作工藝復(fù)雜且容易污染,同時(shí)單一菌種底物利用范圍有限,在一定程度上限制了微生物電極的使用。近年來(lái),人們利用從污水和活性淤泥中富集的電化學(xué)活性微生物,構(gòu)建了多種有介體或無(wú)介體微生物燃料電池,同時(shí)發(fā)現(xiàn)電流(電壓)或電子庫(kù)侖量與電子供體的含量之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此微生物燃料電池能用于某些底物含量的測(cè)定,如廢水BOD以及有毒物質(zhì)等,其中用于廢水中BOD測(cè)定的研究最為成熟。2.2.2微生物傳感器技術(shù)重金屬污染廣泛存在于環(huán)境中,它能通過(guò)生物富集作用對(duì)動(dòng)植物及人類(lèi)產(chǎn)生危害。利用分析化學(xué)方法檢測(cè)重金屬離子對(duì)其生物危害缺乏直接檢定,生物傳感器檢測(cè)重金屬離子吸引了越來(lái)越多的研究興趣。發(fā)光微生物傳感器是目前生物毒性測(cè)試中研究最多的微生物傳感器之一。最常用的生物發(fā)光系統(tǒng)是用于水體毒性實(shí)驗(yàn)的Microtox法評(píng)價(jià)。早在1995年國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局就頒布了水質(zhì)急性毒性的測(cè)定發(fā)光細(xì)菌法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。李書(shū)鉞以明亮發(fā)光桿菌作為指示生物,研制的傳感器將可同時(shí)分析Pb2+、Cr6+、Cd2+、Hg2+、Cu2+對(duì)發(fā)光細(xì)菌的毒性作用,該傳感器與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法具有較高的相關(guān)性。Wang等采用嗜冷桿菌(Psychrobactersp.)微生物傳感器毒性分析系統(tǒng),對(duì)Hg2+、Cu2+、Zn2+、Cr6+、Cd2+、Pb2+、Co2+等重金屬和鄰氯苯酚(2-CP)、2,4-二氯酚(2,4-DCP)、鄰硝基酚(2-NP)、對(duì)硝基酚(4-NP)、四環(huán)素、十二烷基苯磺酸鈉(LAS)等有機(jī)物的生物急性毒性進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,基于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期和穩(wěn)定期的嗜冷桿菌微生物傳感器具有良好的毒性分析性能。Amaro等則以四膜蟲(chóng)(TetrahymenathermophilaMTT1、MTT5)金屬硫蛋白激活子的真核生物熒光素蛋白基因作為信號(hào)載體,開(kāi)發(fā)全細(xì)胞生物傳感器,其檢測(cè)重金屬離子的靈敏性可與原核生物相當(dāng)?；蚬こ涛⑸镌谥亟饘匐x子檢測(cè)方面也發(fā)揮了作用。Ravikumar等通過(guò)生物技術(shù)手段將對(duì)Zn2+、Cu2+敏感的兩種啟動(dòng)子融合為雙標(biāo)記報(bào)告蛋白,開(kāi)發(fā)出檢測(cè)Zn2+、Cu2+的微生物傳感器,最低檢出濃度分別為16μM和26μM。Liu等從惡臭假單胞菌篩選出對(duì)Zn2+的特異性啟動(dòng)子czcR3融合到增強(qiáng)型綠色熒光蛋白(egfp),研制出用于特異性的檢測(cè)Zn2+含量的生物傳感器。Singh等固定小球藻于玻璃碳電極膜上研制微生物傳感器監(jiān)測(cè)Hg2+。具有良好的響應(yīng)時(shí)間、和持久性,電極響應(yīng)的線(xiàn)性Hg2+濃度范圍為10-14M~10-6M,可保持14天使用期。用死去的生物被動(dòng)吸收重金屬是一種更有效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的方法。死細(xì)胞與活細(xì)胞相比,不需要營(yíng)養(yǎng),易于處理和儲(chǔ)存,耐高毒性的反應(yīng)環(huán)境。將銅綠假單胞菌烘干后構(gòu)建微生物傳感器檢測(cè)重金屬Pb2+,得出其對(duì)Pb2+的線(xiàn)性響應(yīng)范圍從1.0μM到2.0μM,最低檢測(cè)量為0.6μM。2.3磷?；憠A酯酶檢測(cè)我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中十分重要的生產(chǎn)資料,而有機(jī)磷農(nóng)藥(organophosphates,OPs)是目前應(yīng)用范圍最廣,使用量最大的農(nóng)藥之一。由于過(guò)度使用OPs引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重,與此同時(shí)人們對(duì)于食品安全問(wèn)題也日益關(guān)注。OPs可以與人體內(nèi)的膽堿酯酶(cholinesterase,ChE)迅速結(jié)合,形成磷?；憠A酯酶,使酶失去活力,引發(fā)中毒、致畸等癥狀。要預(yù)防和處理OPs引起的環(huán)境和食品污染等問(wèn)題,使用快速、高效、靈敏、準(zhǔn)確的檢測(cè)方法是十分重要的。Tang等制備的微生物電化學(xué)傳感器,可迅速檢測(cè)對(duì)硫磷、對(duì)氧磷、甲基對(duì)硫磷濃度。AnuPrathap等利用重組大腸桿菌制備測(cè)定有機(jī)氯農(nóng)藥(俗稱(chēng)林丹)的檢測(cè)的微生物傳感器,其測(cè)定的線(xiàn)性范圍為2~45ppt,且具有高度特異性。Liu等開(kāi)發(fā)一種利用熒光假單胞菌檢測(cè)苯酚和硝基酚的微生物傳感器2.4甲醇和溶氧消耗量三氯乙烯(TCE)用作有機(jī)溶劑和工業(yè)脫脂劑,可引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害。TCE可被惡臭假單胞菌產(chǎn)生的甲苯雙加氧酶酶降解為為乙醛酸和甲酸離子,可用儀器檢測(cè)。基于這種反應(yīng)機(jī)理開(kāi)發(fā)的微生物傳感器可檢測(cè)出20μgL-1~150μgL-1含量的TCE。郭珺等從沼氣池中分離得到一株能以甲醇為唯一碳源和能源生長(zhǎng)的菌株M211,經(jīng)鑒定為嗜有機(jī)甲基桿菌(Methylobacteriumorganophilium),傳感系統(tǒng)在0.02%~1%(V/V)甲醇含量范圍內(nèi)測(cè)定,響應(yīng)時(shí)間小于20min,檢出限為0.27mg/L,溶氧消耗量同甲醇含量呈線(xiàn)性關(guān)系,該測(cè)定體系不易受其它干擾物質(zhì)影響,檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際樣品濃度一致,該測(cè)定體系具有較強(qiáng)的選擇性,及良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性,具有較好的應(yīng)用前景。甲醛含量已成為當(dāng)今居室、食品、紡織品中污染監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要安全指標(biāo)。湯鴻雁等以枯草芽孢桿菌為固定化菌株研制出甲醛微生物傳感器,經(jīng)測(cè)試,與乙酰丙酮分光光度法的測(cè)定結(jié)果有很好的一致性。3間比酶?jìng)鞲衅鞯耐晟坪屯晟葡鄬?duì)于酶?jìng)鞲衅?微生物傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是成本低、操作簡(jiǎn)便、設(shè)備簡(jiǎn)單,所以應(yīng)用市場(chǎng)潛力巨大,但它自身也存在了一定的的缺陷,比如反應(yīng)時(shí)間比酶?jìng)鞲衅饕L(zhǎng),由于多酶體系的存在