付 強(qiáng) 林初文 程立坤 陳 群

(1.山東省濱州畜牧獸醫(yī)研究院，山東 濱州 256600；2.北京尚洋東方環(huán)境科技股份有限公司，中國 北京 100081)

微生物傳感器是使用微生物活細(xì)胞或細(xì)胞碎片作為敏感元件與電化學(xué)換能器來制備的生物傳感器。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，與基于酶的生物傳感器相比，微生物傳感器不需要昂貴的純化過程，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，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。

1 微生物傳感器的發(fā)展簡介

自1975年Devis 制成了第一支微生物傳感器以來，微生物傳感器研制的關(guān)鍵技術(shù)在于微生物的固定，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)定期短和固定時引起微生物的損傷等缺陷，從而限制了微生物傳感器的發(fā)展。納米技術(shù)的出現(xiàn)提供另一種更好的固定方法，納米材料特有的光、電、磁、催化等性能，引起了凝聚態(tài)物理界、化學(xué)界及材料科學(xué)界的科學(xué)工作者的極大關(guān)注，這些進(jìn)步推動了微生物傳感器的發(fā)展，現(xiàn)將微生物傳感器近年來應(yīng)用情況概述如下。

2 應(yīng)用

2.1 環(huán)境監(jiān)測

生化需氧量，簡稱BOD，是水體中微生物分解有機(jī)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[1]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，能連續(xù)工作35 天，通過對實(shí)際水樣的測試表明，測得的BOD 與BOD5，具有良好的相關(guān)性。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（MFC）生物傳感器，同時發(fā)現(xiàn)MFC 電流（電壓）或電子庫侖量與電子供體的含量之間存在一定對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此，科研人員研制出用于廢水BOD[2]以及有毒物質(zhì)[3]檢測的MFC 生物傳感器。

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(shí)驗(yàn)的Microtox 法評價(jià)。我國早在1995年就頒布了水質(zhì)急性毒性的測定發(fā)光細(xì)菌法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但這些方法需要預(yù)先配制培養(yǎng)基、復(fù)蘇菌種等復(fù)雜過程，李書鉞[4]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(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。此外據(jù)報(bào)道用小球藻[5]、銅綠假單胞菌烘干后死細(xì)胞[6]制成的微生物傳感器也可用于重金屬檢測。

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(xiàng)重要安全指標(biāo)。湯鴻雁等[7]以枯草芽孢桿菌為固定化菌株，研制甲醛微生物傳感器，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。此外，微生物傳感器可以快速、高效、靈敏、準(zhǔn)確的檢測農(nóng) 藥[8－9]殘 留。

2.2 食品和發(fā)酵工業(yè)

發(fā)酵工藝在食品、飲料等生產(chǎn)過程中應(yīng)用廣泛，溫度、溶氧、pH、培養(yǎng)基成分、細(xì)胞濃度、產(chǎn)物組成及含量等均是發(fā)酵過程的重要控制參數(shù)。快速和準(zhǔn)確的檢測技術(shù)對發(fā)酵過程控制具有重要的意義，目前葡萄糖、谷氨酸、乳酸的實(shí)時監(jiān)控已得到廣泛應(yīng)用。葡萄糖是發(fā)酵過程最重要的碳源。在這方面基于酶反應(yīng)的生物傳感器研制最早且已商業(yè)化，微生物傳感器的研制較晚，但更具潛力，Liang 等[10]利用可表達(dá)葡萄糖脫氫酶的轉(zhuǎn)基因大腸桿菌構(gòu)建一種新型微生物傳感器，其對葡萄糖的線性范圍為50～800umol/L，檢測限為4umol/L，可抗其他糖類干擾，可再生，成本低，具有良好的穩(wěn)定性。

乙醇濃度是乙醇發(fā)酵、啤酒釀造工業(yè)過程中的主要控制參數(shù)，乙醇檢測在工業(yè)上具有特別重要的意義。Akyilmaz 等[11]用可產(chǎn)生乙醇氧化酶的熱帶假絲酵母（Candida tropicalis）制成的安培計(jì)型傳感器可用于乙醇檢測，其對乙醇濃度的響應(yīng)線性范圍為0.5～7.5mmol/L，響應(yīng)時間為2min。Valach 等人[12]構(gòu)建一個安培計(jì)型微生物傳感器可在流動注射分析（FIA）儀中測量乙醇，汪玉鳳等[13]利用以乙醇作為唯一碳源的嗜有機(jī)甲基桿菌（Methylobacterium organophilium）研制出基于氧電極的乙醇微生物傳感器，Wen 等[14]將嗜有機(jī)甲基桿菌固定于蛋膜結(jié)合氧電極研制出乙醇檢測傳感器，均取得滿意效果。

此外，Akyilmaz 等[15]將可產(chǎn)生賴氨酸氧化酶的啤酒酵母用戊二醛-明膠交聯(lián)固定到溶氧膜構(gòu)建可檢測賴氨酸的微生物傳感器，經(jīng)檢測該傳感器對賴氨酸的線性響應(yīng)范圍為1.0 umol/L～10umol/L，響應(yīng)時間為1min。

霉菌毒素是由霉菌或真菌產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)，攝入時，霉菌毒素可能會導(dǎo)致急性或慢性中毒。高效準(zhǔn)確的檢測霉菌毒素的含量對于食品安全具有重要的作用。據(jù)報(bào)道，以一株攜帶螢火蟲熒光素酶系統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）研制的微生物傳感器可檢測出牛奶中玉米赤霉烯酮（zearalenone，ZEN）的納摩爾級含量[16]。

2.3 臨床診斷

傳統(tǒng)技術(shù)對各種疾病的診斷是一個耗時、復(fù)雜的過程，這使得在緊急情況下急救護(hù)理變得困難。微生物傳感器在診斷激素、DNA 損傷等方面提供了一種快速、準(zhǔn)確和廉價(jià)的方式。

Akyilmaz 等人[17]采用戊二醛交聯(lián)法將凍干的白腐真菌(Phanerochaete chrysosporiumME446) 固定在凝膠修飾的鉑電極上，研制出微生物傳感器用于測定腎上腺素，其檢測線性范圍為5～100umol/L，最低檢出限為1.04umol/L。

許多環(huán)境污染物可引起生物體內(nèi)DNA 的損傷。DNA 損傷是一種極其重要的毒理作用，是誘發(fā)基因突變、癌癥發(fā)生和發(fā)育畸形的關(guān)鍵因素。與基于哺乳動物細(xì)胞的檢測方法相比細(xì)菌學(xué)檢測DNA 損傷的方法具有靈敏、快速、簡便、高通量以及可以在線、實(shí)時檢測等特點(diǎn)。Cheng 等[18]構(gòu)建了在SOS 反應(yīng)中起關(guān)鍵作用的recA 基因啟動子調(diào)控表達(dá)EGFP 基因的質(zhì)粒，將其轉(zhuǎn)入大腸桿菌，開發(fā)出一種可靈敏檢測DNA 氧化損傷試劑的熒光細(xì)菌傳感器，可用于檢測醫(yī)院廢棄物、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)污染以及核工業(yè)污染等領(lǐng)域的環(huán)境致癌物，是一種非常有前途的檢測方法。

3 展望

目前應(yīng)用最廣的是酶生物傳感器，其靈敏度較高、專一性較強(qiáng)且響應(yīng)時間短，不過酶提取純化難度較大，酶的保存期限相對較短，極易失活，只有在適當(dāng)?shù)睦砘瘲l件下或基于某些可溶性輔助因子基礎(chǔ)上酶才會產(chǎn)生作用。而依據(jù)某些微生物細(xì)胞制作的微生物傳感器沒有嚴(yán)格的理化條件限制，具有較長的保存期限，使用成本低，但也存在一些缺點(diǎn)，如再生速度慢，比酶電極響應(yīng)時間長，由于微生物體內(nèi)酶系復(fù)雜，處于一定情況下具有較差的選擇性和專一性，這將是科研人員需要努力改進(jìn)的地方。微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)，近幾年成為研究熱點(diǎn)，作為一種微型化的生化分析儀器，在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有巨大潛力，而電化學(xué)生物傳感器具有靈敏度高、易微型化、功耗小、成本低的特點(diǎn)，兩種技術(shù)的融合將是微生物傳感器的發(fā)展方向。比如開發(fā)一種便攜式的微陣列微生物傳感器，使其具備高通量、快速、選擇性高和集成化的功能，可同時檢測空氣、水、土壤中存在的多種污染，那對于環(huán)境保護(hù)工作將是何等便利。

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