论环境监测中微生物检测技术

论环境监测中微生物检测技术

马英吉

广东铁达检测技术服务有限公司

摘要：笔者主要从常用微生物检测技术、环境监测中微生物传感技术及应用等方面探讨了本文主题，旨在与同行共同学习、共同进步。

关键词：环境监测；微生物传感技术；应用

一、环境监测的意义以及生物传感技术的工作原理

1.环境监测的意义

通过加强我国环境监测软硬件的建设力度，使各种环境污染因子的监测构成一定的监测能力，对环境管理的强化产生一定的积极作用。将环境管理的检测数据作为基础，与环境监测的技术监督与支持产生直接联系。若不具备环境监测，则无法实现有效管理，更别说管理的科学化。作为污染动向的掌握及污染危害预防的重要环节，环境监测是环保工作中的“尖兵”，对环境管理的加强、环保政策与法规的制定以及经济的建设都产生了极为重要的作用。

2.生物传感技术的工作原理

生物传感技术的构成主要包括三大部分：物理化学信号传感器、电子信号处理器以及生物敏感元件。现阶段，生物传感技术有在线检测和连续监测的功能，并对环境监测中传感器技术的应用范围实施引导及拓展。生物传感技术的工作原理是通过物理传感器将生物敏感元件型号和特异性向声、光、电等易监测的信号转变。从间接过程中对监测物质信息进行获取。通过分析不同角度，也有各不相同的物理传感器构成分类。生物传感器包括：安培型、电位型、阻抗型传感器以及声波。以转换对象进行区分，生物传感器的类型主要包括NH3、CO2、O2、PH。根据生物敏感元件又可划分为微生物、免疫以及DNA传感器。不同的传感器类型则会有不同的环境监测物质反应状况。

二、常用微生物检测技术

目前常用的微生物检测技术有显微技术、染色技术、分离纯化技术、微生物鉴定技术、细菌诊断技术、聚合酶技术等几大类。

1.显微技术

显微技术在微生物检测工作中被普遍应用，而且检测时使用的设备也比较多，包括光学显微镜、暗视野显微镜、荧光显微镜和电子显微镜等。因此，监测人员要结合不同的环境检测需求科学、合理地选择检测技术和检测设备。显微技术的优势在于其操作简单，但是，检测结果的精确度却比较差，不容易控制，存在一定的误差，不利于采集准确的监测信息。

2.分离纯化技术

通常情况下，微生物都处于混合生长状态。在检测微生物的过程中，要结合其具体特性分离纯化。在菌种鉴定时，经常采用分离纯化技术。这是微生物检测时的重要技术之一。

3.染色技术

染色技术就是为微生物细胞染色，然后观察和检测它。其局限性在于染色微生物都不是活体，染色过程中的结构和形态具有不稳定性，无法从根本上真实反映活细胞的具体情况。一般情况下，它是其他检测技术的辅助。同时，其操作过程中涉及到的操作要素比较多，检测人员要严格控制染色和脱色的过程，最大程度地减小检测误差。

4.其他技术

在微生物的常规检测中，检测人员要认真观察微生物的形态结构和培养特性，然后通过化学反应试验测定微生物的代谢物，从而鉴别它，为日后的分类工作奠定良好的基础。随着人们环境监测意识的增强，微生物检测技术也被广泛应用。比如，检测人员通过细菌总数和粪便污染指示菌等监测水质，应用发光细菌监测环境中的有毒物质，借助藻类生长情况监测水质和物质霉性等。目前，其已经得到了相应的应用，而它也是未来环境监测的重要发展方向。

三、环境监测中微生物传感技术及应用

1.监测有毒物质

Cellsens生物传感器则是对该种监测技术进行运用而发展出来的一种生物传感器，该技术是将大肠杆菌的毒性分析系统作为基础，衡量标准为细菌呼吸活动，污染物对细菌的呼吸作用造成影响，可根据生物传感器的电流大小的改变对污染物毒性的高低进行判断，Cellsens生物传感器在废水中已经得到应用。

2.监测表面活性物质

表面活性物质会造成严重的水污染产生，例如在水面上直链烷基苯磺酸钠（LAS）会有泡沫产生，消耗氧。运用LAS对菌、氧电极产生降解而形成的生物传感器，能够对阴离子表面活性剂实施检测。阴离子表面活性剂对LAS降解菌的呼吸作用产生影响，从而影响了溶解氧的变化，通过对氧电极的电流变化进行运用，从而将表面活性物质的浓度得以测定。

3.监测农药等物质

所谓农药类物质就是指除草剂、杀昆虫剂、杀真菌剂、植物生长调节剂以及脱叶剂等农药。在大气、土壤、水、植物及食品中，农药作为一种广泛存在的环境污染物得到应用。除草剂的运用不仅有有机化合物存在，而且还包含着无机物质；杀真菌剂具有含硫化合物、有机化合物和含铜化合物；杀昆虫记中则具有氧磷、马拉硫磷等有机磷化合物。该类物质都会对人体造成危害，引发人体造血功能、呼吸道、免疫系统、神经系统出现损伤，甚至会有严重的致癌现象。目前，气相色谱法是最常用的杀虫剂检测方法，但某些杀虫剂有低挥发性、高极性以及对热不稳定性等特点，很难对相色谱法进行运用从而实施检测。

但有机磷农药是在低浓度下运用的一种特定酶活性的抑制，有机磷农药浓度对抑制程度产生影响，因此设计了酶传感器间接测定了有机磷农药的浓度。其中酶传感器的作用原理是在胆碱酯酶的作用下，乙酰胆碱通过分解形成乙酸和胆碱，随后胆碱别胆碱氧化酶氧化构成甜菜碱并对H2O2进行释放，农药和胆碱酯酶有作用产生时，会有容易水解的非共价的中间复合物产生，同时由于乙酰胆碱酯酶刚度敏感于有机磷农药，因此测定反应相PH变化会有酶活受抑情况产生，间接推算出有机磷农药浓度，从而监测药物的危害性。

4.测定生化需氧量

生化需氧量（BOD）是指水中有机物等需要氧的污染物质含量的一个综合指标。BOD生物传感器的电极是由微生物的单一菌种或混合种群构成，由于水中有不同的BOD数量，使得水中的微生物存在不同的呼吸方式，导致出现不同的电极电流信号，通过输出放大电信号，则会获取水中BOD的数量。通常情况下，运用传统的稀释法对水中细菌的数量进行检测时，不仅有复杂的操作工序共存，而且用时较长，一般达到5h左右。而生物传感器的运用则能在10~15min内对细菌数量进行确定，还能进行在线检测，及时反馈水质。

5.微生物检测技术和化学、物理分析法的对比

传统的化学、物理检测方法大多集中针对环境污染物的性质、来源、含量、分布状态等进行检测，所需仪器和设备通常较为复杂，并且部分检测方法存在缺陷，如重量法在环境污染物浓度较低时会产生较大误差，容量法虽然操作方法但灵敏度不高，光学分析法多适用于水和液体试样的分析，在实际应用中，这些方法存在不少不足和缺陷，无法较全面的把握环境污染数据。微生物检测技术针对微生物对环境污染或环境变化的反应进行监测，所需仪器设备相对物理、化学检测更易操作，且样本受污染影响较小，具有较高的灵敏度、可靠性、稳定性、实时性，并能广泛应用于各种环境的监测之中，从生物学的角度反应出环境污染的情况和历史背景，获取丰富的数据。

6.发光细菌在环境监测中的应用

传统的生物监测以水蚤、藻类或鱼类等为受试对象，实验周期长，比较繁琐。针对传统检测方法的不足，研究和开发了新型生物毒性监测技术——发光细菌法。发光菌是一类能运动的革兰氏阴性兼性厌氧杆菌，含有荧光素、荧光酶、等发光要素，在有氧条件下通过细ATP胞内生化反应而产生微弱荧光。发光细菌在毒物作用下，细胞活性下降，导致发光强度的降低。发光细菌法是利用灵敏的光电测量系统测定毒物对发光细菌发光强度的影响，根据发光细菌发光强度的变化判断毒物毒性的大小。

混合废水含有多种污染物，单独分析某个污染物毒性实践意义不大。由于污染物之间的加和及拮抗作用，各个污染物的毒性之和并不代表这种废水的综合毒性，可以用发光细菌法测定其综合毒性。炼焦煤气厂废水用工业废水排放标准来衡量，废水中各项污染指标已经达到排放标准，但按照发光细菌法得出的生物毒性综合评价结果废水毒性还很高，仍可对环境形成生物毒性危害，说明需要采用综合手段评价废水是否达标。随着技术的发展，发光细菌法将会和电子技术以及光电技术、生物传感器技术、细胞固定化技术以及计算机技术紧密结合，逐步发展为在线监测系统，为水质分析提供更加快速有效的测试手段。

结语

综上所述，生物传感技术在环境监测中的应用能够将分析效率得到较大程度的提升，合理控制成本，有效确定环境监测的诸多因素，同时可支持自动化在线监测与应急监测的需求，使其作为未来环境监测的主要发展目标，在环境监测中得到广泛应用。

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