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摘 要：本文着重从生物传感器、生物芯片两方面来探究生物电化学在环境监测中的应用.
关 键 词：生物电化学环境监测生物传感器生物芯片
近几年,随着生物电化学学科的快速发展,生物电化学在各个领域中的应用越来越得到人们的重视,如临床诊断、药物研究、环境监测、食品卫生等方面.本文着重从生物传感器、生物芯片两方面来探究生物电化学在环境监测中的应用.
一、生物电化学概述
生物电化学形成于上世纪七十年代,是一门交叉性的独立学科,交叉涵盖了电生物学、生物物理学、生物化学,以及电化学等多门学科的内容.生物电化学作为一种高科技技术延伸到生活领域,为人类带来方便、快捷、高效的监测技术.
二、生物电化学在环境监测中的应用
1.生物传感器
生物传感器通过一个理化换能器将一种生物或其敏感元件产生的间断或连续的数字电信号以定量的形式传导出来,并且所发信号的强弱与被检测物含量的多少成正相关,再通过二次仪表的放大作用,可清晰、灵敏的测得所测物质的具体含量.生物传感器可监测环境中的不同污染物,已经广泛应用于水样、大气和土壤环境中相关物质的监测.
1.1生物传感器在水环境监测中的应用
在水环境检测中,生物传感器可对水体环境中生物耗氧量、硝酸盐的含量、酚类物质的含量和农药残留量等进行监测.生物耗氧量是反应水体有机污染程度的重要指标之一,传统的生物耗氧量监测方法较为复杂,且监测结果的重现性差.微生物传感器以生物耗氧量微生物电极来检测生物耗氧量含量的变化,由于水环境中微生物的呼吸方式是随着生物耗氧量的改变而变化,而这种变化会以微生物电极中电流信号变化的强弱的形式传导出来,经过信号放大作用,从而监测到水体中的生物耗氧量的含量.李花子等人研制出了专用的生物耗氧量监测仪,以酿酒酵母作为敏感材料,实现了生物耗氧量的快速测定,监测结果具有良好的稳定性和重现性.总之,生物耗氧量生物传感器不仅灵敏度高、重现性好,而且能够对水环境中的生物耗氧量进行实时在线监测.用测定水体中NO3-含量时,生物传感器不是直接通过测定水体中NO3-含量,而是通过测定NO3-化学反应生成NO2-时所产生的电流大小来确定NO3-在水体中的含量,产生的电流越大,则说明水体中的NO3-含量越高,而产生的电流越小,则说明水体中的NO3-含量较低.Larsen等人研制出用假单细胞菌来测定NO2-的小型微生物传感器,当NO2-浓度小于等于400μmolL-1时,这种小型微生物传感器都能发挥很好的监测效果.
酚类物质相比较于其他污染物,具有较高的毒性,监测水环境中的酚类物质非常重要.用生物传感器方法来测定水体中酚类物质含量已经得到广泛的应用,李天华等人研制出了测定苯酚的生物传感器,生物传感器中的修饰电极可以高效的催化、氧化被检测样品中的苯酚,不仅能快速响应苯酚,而且该生物检测器对苯酚的线性范围宽,适用于监测地表水中的苯酚的含量.大自然中残留的农药不仅污染水体,而且也危及到土壤.用生物传感器方法来测定水体中农药的残留量,应用较多的是通过酶生物传感器来对农药进行分析,这种生物传感器的电极是经过碳纳米管修饰的,农药中的有机磷或氨基甲酸酯类成分能抑制酶的催化活性,酶生物传感器正是依据这一特点来测定水体或土壤中的农药残留量.该酶生物传感器在监测水环境中的农药含量时,灵敏度高、稳定性和重现性好.
1.2生物传感器在大气环境监测中的应用
在大气环境监测中,生物传感器可对大气中的SO2、NOx等物质的含量进行监测.SO2、NOx都是形成酸雨的罪魁祸首之一,相比较于传统监测SO2含量的方法,SO2生物传感器监测方法简单、高效.Marty等人研制出安培型生物传感器,该传感器是通过先把亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上,再和氧电极结合形成.安培型生物传感器可时时监测大气环境中SO2的含量.而监测NOx的生物传感器是将硝化细菌固定在多孔气体渗透膜上,和氧电极结合形成的微生物传感器.该传感器是依据硝酸盐是硝化细菌仅有的能量来源,通过测定被检测样品中亚硝酸的含量,来计算出大气环境中NOx的浓度.
1.3生物传感器在土壤环境监测中的应用
在土壤环境监测中,生物传感器可对土壤中的重金属元素进行监测,用以判断重金属污染的土壤的总生物毒性.根据重金属离子结合硫醇基后会降低酶的催化活性这一整体特征,只要是含有巯基催化基团的酶都可以对土壤环境中的重金属离子进行检测,Ramanathan等人制成了生物毒性检测仪,通过一株明亮发光杆菌,来监测重金属污染土壤的总生物毒性.生物传感器对土壤环境中重金属离子的监测也在不断改进和发展,已经能够对砷重度污染地区进行长期在线的时时监测,真正达到了效果好,且费用低的目标.
2.生物芯片
生物芯片技术发展于上世纪末,是一门比较新兴的技术.生物芯片的优势明显,无论是监测还是检验都具有快速、准确、无污染等优点,近几年,生物芯片在环境监测中的应用越来越广泛.
微生物存在于自然界的各个角落,而环境中的微生物能很好的反映周围环境质量的好坏,生物芯片能够通过监测大气、水、土壤中微生物的状况,来监测环境质量的好坏,生物芯片广泛应用于监测环境微生物.JizhongZhou等人构建出了功能基因芯片,此生物芯片主要用于土壤环境检测.张于光等人在此基础上,运用功能基因芯片,研究我国的青藏高原地区的土壤微生物的多态性,着重研究微生物的固氮、硝化、去硝化等功能.由于生物芯片能够储存大量的信息,实现在短时间内、低费用下,精确的监测更多的微生物,并得到准确的结果.生物芯片的诸多优点,使其成为监测水质技术中的首选,并在水环境监测方面得到广泛应用.
三、结语
生物电化学的未来发展方向是将纳米技术、微加工技术与新的生物化学检测方法结合,不仅为环境监测注入新活力,也为人类营造健康环境保驾护航.