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环境微生物论文1
环境生物技术论文
--生物传感器在环境监测中的应用
环本1002班
王怡璇
10601540224
生物传感器在环境监测中的应用
作者:
环本1002班王怡璇10601540224
摘要:
简述了生物传感器特别是微生物传感器在环境监测领域中的研究与应用,对其发展前景及市场化作了预测及展望。
生物传感器是将生物感应元件的专一性与能够产生与待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置。
生物传感器与传统的化学传感器和离线分析技术相比有选择性高,灵敏度高,稳定性较好,成本低等优势,能在复杂的体系中进行快速的在线连续监测。
在环境监测领域中有着广阔的应用前景。
关键词:
生物传感器,环境监测
一.引言随着各国经济的迅速发展,环境污染问题逐渐凸现出来,并成为制约经济快速发展的因素。
因此,保护环境并实现可持续发展逐渐成为当今的热门话题。
在环境监测中有许多生化指标需要简便、快速、自动化的测定。
从1962年,Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40年。
生物传感器因其满足了上述要求而在近十几年中得到了迅速发展。
生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。
国际理论和应用化学联合会(IUPAC)对生物传感器的定义为:
一种由生物或者与生物相关的敏感元件和物理化学传感器(换能器)相结合构成的小型分析仪器。
其中分子识别部分(敏感元件)用于识别被测目标,是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件,是生物传感器选择性测定的基础;信号转换部分(换能器)是将分子识别部分所引起的变化转换成电信号的功能部件[1]。
生物传感器的工作原理如下:
待测物→生物识别元件→信息→信号转换→电信号或光信号→信号放大信息处理→信号输出。
生物传感器的研究开端于20世纪60年代。
1962年CLARK[2]报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极组合检测葡萄糖的结果,可认为是最早提出了生物传感器(酶传感器)的原理。
生物传感器按敏感元件的不同可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、DNA传感器等
图1菌数传感器结构[3]
按转换器转换对象的不同可分为pH转换器、O2转换器、CO2转换器、NH3转换器等[4];按测量信号的不同又可分为电化学传感器、光学传感器、测热型传感器、半导体传感器等。
[5]
近些年来,微生物固定化技术的不断发展,产生了微生物电极。
微生物电极以微生物活体作为分子识别元件,与酶电极相比有其独到之处。
它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。
此外,还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。
而目前,光纤生物传感器的应用也越来越广泛。
而且随着聚合酶链式反应技术(PCR)的发展,应用PCR的DNA生物传感器也越来越多。
二.研究现状及在环境监测应用
1.用于环境监测的生物传感器
目前生活污水和工业废水的排放量不断增加,其中绝大部分污水经过生物法处理后排入水体,其各项指标的监测需要在实验室中进行。
对于大多数污水处理厂来说,实现水质的在线检测仍是一个难题。
生物传感器的应用,使得废水的生物处理过程的在线检测成为可能。
1.1.BOD生物传感器
生化需氧量(biochemicaloxygendemand,BOD),含义是:
在微生物的作用下,将单位体积水样中的有机物氧化所消耗的溶解氧量,单位是mg/L,是表征有机污染程度的综合指标。
目前国外和国内(GB7488287)主要采用5d20℃培养法测定水样中的BOD值。
它包括水样采集、水样充氧、培养、测定等步骤。
简单地说就是将水样密封于试验瓶中,在(20±)℃1于暗处培养5d,然后分别测定样品培养前后的溶解氧,这两者之差即为5d的生化需氧量BOD5。
但这种方法有许多不足之处,例如测定周期长,操作复杂,重现性差,干扰性大,不宜现场监测等等。
因此,迫切需要一种操作简单、准确、快速、自动化程度高、适用范围广的新方法来测定BOD。
BOD的其它测定方法主要有检压式库仑计法、短时日法、平台值法、相关估算法和瓦勃呼吸法等(卢文等,1993)。
这些方法基本上是基于一些经验公式,而且操作过程均较为复杂,测定过程也不够稳定,因此一直没得到推广应用。
1977年,Karube等(1977)首次利用微生物传其以微生物作为敏感材料。
当含有一定浓度缓冲液的样品进入测量室时,水样中的有机物与微生物接触并被微生物分解;微生物在分解有机物的过程中会消耗水中的溶解氧,导致溶解氧浓度降低,利用相应的换能器可以检测到溶解氧浓度的变化,产生相应的信号;这一信号变化的大小与测量室样品中BOD浓度存在一定的线形关系,通过对信号进行处理,可以得到水样的BOD值。
由于测定过程在较高温度(一般为20~30℃)下进行,同时对水样进行曝气,因此,微生物反应速度加快,大幅度缩短了BOD的测定时间。
[6]
1.1.1.BOD生物传感器的基本组成
其基本组成包括生物识别元件、反应器和换能器。
如图[7]
BOD生物传感器的基本组成
1.1.2.BOD生物传感器的测量过程
一般来讲,如果水样的BOD值在仪器的量程范围内,并且不含有对微生物有毒害的物质或者微生物难以在短期内氧化的大分子物质,水样就不需要进行预处理,可以直接利用BOD传感器进行测定。
但是,如果水样的BOD值超过量程范围,或者水样中含有重金属离子等毒害微生物的物质,就需要对水样进行适当的预处理。
当水样的BOD值过高时,与传统5d培养法测定BOD值相似,先测定水样的COD值,根据经验公式大致估计BOD值,然后进行稀释处理,以使水样的BOD处于传感器的量程范围内,再进行测定。
[6]测定时间与清洗时间的长短,与敏感元件中微生物种类、活性、反应器结构设计、温度、PH值等因素有关。
1.1.3.BOD生物传感器的发展及存在问题
目前,有研究人员分离了两种新的酵母菌种SPT1和SPT2,并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD,其重复性在±10%以内。
将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定,其测量最小值可达2mg/l,所用时间为5min[8]。
还有一种新的微生物传感器,用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料,在高渗透压下可以正常工作。
并且其菌株可长期干燥保存,浸泡后即恢复活性,为海水中除了微生物传感器,BOD的测定提供了快捷简便的方法[9]。
还有一种光纤生物传感器已经研制出来用于测定河水中较低的BOD值。
该传感器的反应时间是15min,最适工作条件为30°C,pH=7。
这个传感器系统几乎不受氯离子的影响(在1000mg/l范围内),并且不被重金属(Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+)所影响。
该传感器已经应用于河水BOD的测定,并且获得了较好的结果。
[9]
现在有一种将BOD生物传感器经过光处理(即以TiO2作为半导体,用6W灯照射约4min)后,灵敏度大大提高,很适用于河水中较低BOD的测量[10]。
同时,一种紧凑的光学生物传感器已经发展出来用于同时测量多重样品的BOD值。
它使用三对发光二极管和硅光电二极管,假单胞细菌(Pseudomonasfluorescens)用光致交联的树脂固定在反应器的底层,该测量方法既迅速又简便,在4℃下可使用六周,已经用于工厂废水处理的过程中[6]。
迄今为止,不少国家针对利用生物传感器快速测定BOD制定了相应的标准,并进行了相关的技术说明。
但目前BOD传感器研究大多数处于实验室阶段,距普遍应用还有相当的距离,少数商业化产品也存在一些问题。
其主要问题如下:
(1)微生物培养的不稳定性使传感器不能保持良好的稳定运行。
(2)不同菌种对不同有机物的降解能力不同,使其响应和重现性不同,从而只适合于定点水系的测量。
对于特定水样和许多实际废水,还应进行有针对性的研究,如微生物种类、标准溶液及其标准曲线、生物识别元件的制备等。
微生物膜电极的响应时间较长,为缩短响应时间,需要选用新的更有效的微生物固定化材料、方法。
(3)微生物的活性会逐步降低,每次测量后需要进行活化处理,且固定化微生物颗粒或微生物膜的一致性或互换性差。
因此,每次更换新的微生物敏感元件后需要对工作曲线进行重新调整和校正,增加了测定的繁琐程度。
(4)测量一些含有毒有害有机物的样品时,微生物缺乏抵抗性,测量结果与实际情况会有一定的偏差。
以上不足在一定程度上限制了BOD生物传感器的工业化应用,因此,迫切需要开发适合实际情况、性能优异、价格合理的BOD快速测定仪。
[6]
1.1.4.BOD传感器的研究发展趋势
目前,BOD传感器的研究和开发主要是围绕着采用更优化的敏感元件和换能器以及标准溶液等方面展开的。
研究的内容包括:
采用适宜的微生物、开发切实可行的微生物膜或者固定化方法,以获得性能稳定、活化时间短、对待测溶液浓度变化适应性强、使用寿命长的敏感元件;研究相应的信号检测方法、数据处理方法;采用尽可能与实际废水成分接近的标准溶液等。
纵观BOD传感器的研究历史、现状和实际使用的需要,未来对它的研究将主要集中在以下几个方面:
1)在微生物选择方面进行完善,力求拓宽对于多种废水的测定范围,满足更多行业的使用需要。
2)制作活性高、选择性强的生物敏感元件,提高仪器的稳定性。
3)简化生物敏感元件的更新和设计,提高仪器的重现性。
4)对微生物膜或固定化微生物的方法进行研究,保证敏感元件的一致性。
5)研究合适的水样预处理方法,提高传感器的响应能力和速度,更真实准确地反映水样的BOD水平。
6)开发更合理、更先进的换能器和信号处理设备,例如,半导体技术、压电晶体技术等新的传导技术的应用,以及传感器同计算机相结合,将有助于BOD传感器的微型化、便携化和实用化。
[7]
2.其他生物传感器
常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、重金属离子、酚类化合物、表面活性剂等物质的浓度。
目前已经研制出了多种测量各类污染物的生物传感器并已投入实际应用中了。
2.1.酚类生物传感器
微生物传感器是快速准确测定废水中酚含量的方法[11],是以微生物电极、酶电极和植物电极为传感器测定的。
反应机理见式
(1)和式
(2):
苯酚+O2+2H++酪氨酸酶→邻苯二酚
(1)
邻苯二酚+O2+酪氨酸酶→邻苯二醌
(2)
当酚类物质与O2一起扩散进入微生物膜时,由于微生物对酚的同化作用而耗氧,致使进入氧电极的O2速率下降,传感器输出电流减小,并在几分钟内达到稳态。
在一定的浓度范围内,电流降低值△I与酚的浓度之间呈线性关系,由此来测定酚的浓度。
由于此反应需要酪氨酸酶,[12]用麦芽糊精修饰的酪氨酸酶碳糊电极构成电流型生物传感器来测定水中酚类污染物质。
在外加电压为-100mV(vs.SCE)、pH为5.40的磷酸盐缓冲溶液中,在苯酚摩尔浓度为2.0×10-7~1.0×10-5mol/L内电极电压与苯酚摩尔浓度有良好的线性关系,其检测下限为1.0×10-7mol/L。
2.2.测定农药残留的生物传感器
用于农药残留检测的电化学传感器分为电流模式和电位模式,其分子识别元件大都为乙酰胆碱酯酶(AchE)和丁酰胆碱酯酶(BChE)。
AChE催化底物乙酰胆碱的水解反应为[13]:
乙酰胆碱+H2O→胆碱+乙酸维因、涕灭威)的抑制。
(3)
酶的活力受到有机磷(OPs)(如:
马拉硫磷、对硫磷等)和氨基甲酸酯杀虫剂(如:
西电流型传感器测量的是O2、H2O等电活性物质浓度[14],有两种类型:
第1种类型是基于反应(3)中生成的胆碱被胆碱氧化酶(ChOD)氧化,消耗氧而生成H2O2(反应4),从而通过测定溶液中的氧或H2O2来间接测量酶的抑制物;第2种类型是电位传感器,通过测量H+的浓度来反映抑制物的浓度(反应5)。
胆碱+2O2+H2O→乙酸三甲铵内盐+H2O22胆碱→2胆碱+2H++2e(4)(5)ALBAREDASIRVENT等[15]以1种可以重复使用的电流型生物传感器来检测自来水和果汁中的农药,在标准溶液中对氧磷和呋喃丹的检测极限分别达到10-10和10-11mol/L。
2.3.测定土壤重金属的生物传感器
生物传感器用于土壤中污染物的检测目前报道较少。
基于抑制作用的酶生物传感器测定环境样品中的抑制剂的研究近年来备受关注,该法可应用于检测土壤中的污染物。
汤琳等[16]提出了一种基于抑制作用的新型葡萄糖氧化酶生物传感器用于测定土壤样品中的二价汞离子。
该法克服了传统的冷原子吸收分光光度法、高锰酸钾-过硫酸钾消解双硫腙分光光度法等方法中预处理过程复杂、费用高、不能实地检测的缺点。
二价汞离子可作为葡萄糖氧化酶的一种抑制剂,在pH较低的酸性环境中,能与酶活性中心的某些位点结合而抑制酶的活性,从而引起响应电流的下降,产生可测定信号。
该传感器对汞离子的检出限为0.49ng/mL,抑制率和汞离子浓度的自然对数值在0.49~783.21ng/mL和783.21ng/mL~25.55ng/mL内分别呈良好的线性关系,酶电极在抑制后可以完全恢复活性。
[17]
三.讨论与展望
美国的HaroldH.Weetal指出,生物传感器商品化要具备以下几个条件:
足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。
其中,价格便宜决定了传感器在市场上有无竞争力。
而在各种生物传感器中,微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单,因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。
相比起来,酶生物传感器等的价格就比较昂贵。
但微生物传感器也有其自身的缺点,主要的缺点就是选择性不够好,这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。
现已有报道加专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。
除此之外,微生物固定化方法也需要进一步完善,首先要尽可能保证细胞的活性,其次细胞与基础膜结合要牢固,以避免细胞的流失。
另外,微生物膜的长期保存问题也待进一步的改进,否则难于实现大规模的商品化。
结语总之,常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。
若容易获得稳定、高活性、低成本的游离酶,则酶电极对使用者来说是最理想的。
相反的,若生物催化需经过复杂途径,需要辅酶,或所需酶不宜分离或不稳定时,微生物电极则是更理想的选择。
而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃发展中,其应用也越来越广泛。
随着固定化技术的进一步完善,随着人们对生物体认识的不断深入,生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。
[18]
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