微生物傳感器的應(yīng)用與展望

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)濟效益，人們對環(huán)境保護的認識不高，污染突出，但傳統(tǒng)的檢測方法通常需要一定的分析技術(shù)。在專業(yè)實驗室，人們應(yīng)該找到一種簡單、快速、便捷的檢測各種有機和有機物的方法。生物傳感器可以很好地解決這個問題。根據(jù)生物傳感器中所用分子識別元件上的敏感物質(zhì)不同,可以將生物傳感器分為:酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細胞傳感器。其中酶傳感器和微生物傳感器研究得最多,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(對特定污染物有感應(yīng)能力的微生物菌株)與具有信號轉(zhuǎn)換功能的介質(zhì)相連,并借助一定的設(shè)備將信號放大輸出。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特的優(yōu)勢,因此可以滿足環(huán)境監(jiān)測中快速簡單、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)盡可能保證細胞活性和避免細胞從膜中流失,以延長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、共價鍵合、交聯(lián)到一定的載體基質(zhì)上或包埋于有機聚合物的基質(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,如制備簡單,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)正進入快速發(fā)展時期,這些進步均有助于促進了微生物傳感技術(shù)的發(fā)展。2環(huán)境評估的應(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別元件,制備了硫化物和亞硫酸鹽微生物電極,實驗證明,電極的響應(yīng)時間為3~6分鐘,以氧化硫硫桿菌為分子識別元件的電極選擇性好,它對S2-的線性范圍為0.06~3.0mg/L,對SO32-的線性范圍為0.7~32mg/L。但對于此類傳感器后續(xù)報道不多。此外還有用于NO2檢測的微生物傳感器。2.2水質(zhì)監(jiān)護儀2.2.1微生物傳感器檢測生化需氧量(BiochemicalOxygenDemand)簡稱BOD,是水體中微生物分解有機物的過程中消耗水中溶解氧的量,以mg/L表示。BOD的測定對控制水體污染具有更重要的意義,傳統(tǒng)測定BOD的方法需要5天,用傳感器測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量污水的BOD。結(jié)果表明,傳感器的線性范圍為2~300mg/L,連續(xù)測量20個樣品的精密度為4.2%,能連續(xù)工作35天。通過對實際水樣的測試表明,測得的BOD與BOD5,具有良好的相關(guān)性。雖然微生物電極法可縮短測定時間,但微生物固定化膜的制作工藝復(fù)雜且容易污染,同時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,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介體微生物燃料電池,同時發(fā)現(xiàn)電流(電壓)或電子庫侖量與電子供體的含量之間存在對應(yīng)關(guān)系,因此微生物燃料電池能用于某些底物含量的測定,如廢水BOD以及有毒物質(zhì)等,其中用于廢水中BOD測定的研究最為成熟。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,它能通過生物富集作用對動植物及人類產(chǎn)生危害。利用分析化學(xué)方法檢測重金屬離子對其生物危害缺乏直接檢定,生物傳感器檢測重金屬離子吸引了越來越多的研究興趣。發(fā)光微生物傳感器是目前生物毒性測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)是用于水體毒性實驗的Microtox法評價。早在1995年國家環(huán)境保護總局就頒布了水質(zhì)急性毒性的測定發(fā)光細菌法行業(yè)標準。李書鉞以明亮發(fā)光桿菌作為指示生物,研制的傳感器將可同時分析Pb2+、Cr6+、Cd2+、Hg2+、Cu2+對發(fā)光細菌的毒性作用,該傳感器與傳統(tǒng)實驗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)、對硝基酚(4-NP)、四環(huán)素、十二烷基苯磺酸鈉(LAS)等有機物的生物急性毒性進行分析。試驗結(jié)果表明,基于對數(shù)生長后期和穩(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(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載體,開發(fā)全細胞生物傳感器,其檢測重金屬離子的靈敏性可與原核生物相當(dāng)。基因工程微生物在重金屬離子檢測方面也發(fā)揮了作用。Ravikumar等通過生物技術(shù)手段將對Zn2+、Cu2+敏感的兩種啟動子融合為雙標記報告蛋白,開發(fā)出檢測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Zn2+的特異性啟動子czcR3融合到增強型綠色熒光蛋白(egfp),研制出用于特異性的檢測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Hg2+。具有良好的響應(yīng)時間、和持久性,電極響應(yīng)的線性Hg2+濃度范圍為10-14M~10-6M,可保持14天使用期。用死去的生物被動吸收重金屬是一種更有效、經(jīng)濟、簡單的方法。死細胞與活細胞相比,不需要營養(yǎng),易于處理和儲存,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重金屬Pb2+,得出其對Pb2+的線性響應(yīng)范圍從1.0μM到2.0μM,最低檢測量為0.6μM。2.3磷?；憠A酯酶檢測我國是一個農(nóng)業(yè)大國,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。由于過度使用OPs引發(fā)的環(huán)境問題日益嚴重,與此同時人們對于食品安全問題也日益關(guān)注。OPs可以與人體內(nèi)的膽堿酯酶(cholinesterase,ChE)迅速結(jié)合,形成磷酰化膽堿酯酶,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)境和食品污染等問題,使用快速、高效、靈敏、準確的檢測方法是十分重要的。Tang等制備的微生物電化學(xué)傳感器,可迅速檢測對硫磷、對氧磷、甲基對硫磷濃度。AnuPrathap等利用重組大腸桿菌制備測定有機氯農(nóng)藥(俗稱林丹)的檢測的微生物傳感器,其測定的線性范圍為2~45ppt,且具有高度特異性。Liu等開發(fā)一種利用熒光假單胞菌檢測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?；谶@種反應(yīng)機理開發(fā)的微生物傳感器可檢測出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的菌株M211,經(jīng)鑒定為嗜有機甲基桿菌(Methylobacteriumorganophilium),傳感系統(tǒng)在0.02%~1%(V/V)甲醇含量范圍內(nèi)測定,響應(yīng)時間小于20min,檢出限為0.27mg/L,溶氧消耗量同甲醇含量呈線性關(guān)系,該測定體系不易受其它干擾物質(zhì)影響,檢測結(jié)果與實際樣品濃度一致,該測定體系具有較強的選擇性,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)測的一項重要安全指標。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)測試,與乙酰丙酮分光光度法的測定結(jié)果有很好的一致性。3間比酶傳感器的完善和完善相對于酶傳感器,微生物傳感器最大的優(yōu)點就是成本低、操作簡便、設(shè)備簡單,所以應(yīng)用市場潛力巨大,但它自身也存在了一定的的缺陷,比如反應(yīng)時間比酶傳感器要長,由于多酶體系的存在