吳勇劍，張 永，苑克磊，劉曉飛

（1.國家海洋局北海預(yù)報中心，山東 青島266061；2.國家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧 大連116015）

引言

21 世紀(jì)是一個利用海洋的世紀(jì)，中國更加重視在海洋資源可持續(xù)利用和可持續(xù)發(fā)展范圍內(nèi)保護(hù)海洋環(huán)境。特別是用于監(jiān)測和保護(hù)第三方海洋監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)的生物傳感技術(shù)，主要是基于生物污染物敏感元素的生物、化學(xué)和細(xì)胞反應(yīng)的海洋生物監(jiān)測技術(shù)。它們非常敏感，可能與生長、繁殖、新陳代謝和生存等指標(biāo)直接相關(guān)，從而污染人口、社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)。評價和影響預(yù)測。許多傳感器（生物傳感器和其他類型的傳感器）已經(jīng)開發(fā)出來，用于環(huán)境監(jiān)測，這些傳感器非常具體，非常敏感。在復(fù)雜的系統(tǒng)中快速分析，并能在網(wǎng)上連續(xù)跟蹤，它廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)檢驗、食品安全和監(jiān)測等領(lǐng)域。這些環(huán)境應(yīng)用是用于海洋監(jiān)測的生物傳感器的開發(fā)開始的探測環(huán)境。本文綜述了海洋生物傳感器在監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 生物傳感技術(shù)的發(fā)展

目前，在生物電子學(xué)領(lǐng)域，結(jié)合生物技術(shù)和電子技術(shù)，我們致力于生物傳感器的研發(fā)。生物傳感器將微生物固定在膜上，通過氧電極和二氧化碳電極的組合（將膜上的變化轉(zhuǎn)化為電信號）形成一個類似的轉(zhuǎn)換器來測定化學(xué)物質(zhì)?，F(xiàn)在的生物傳感器的產(chǎn)品在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛地看到。主要用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的快速和代謝狀態(tài)的診斷。在制藥和食品工業(yè)等領(lǐng)域，為了實現(xiàn)生物傳感器的快速監(jiān)控，受到重視和發(fā)展。

生物傳感器在環(huán)境污染物和毒物評估中具有特殊的適用性和參考作用，并且還可以利用矩陣特異性等性質(zhì)對化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行定量。國外成功使用生物傳感器監(jiān)測廢水中毒物的生物氧要求量。在國內(nèi)，中國科學(xué)院武漢病毒研究所等正在進(jìn)行這方面的研究。從活性污泥中得到的微生物被固定在氧電極表面，設(shè)計了呼吸性測定方式的生物傳感器可以在20 分鐘以內(nèi)顯示廢水等生物氧要求量的值。

除了生物需要氧氣外，海洋環(huán)境中氨、硝酸鹽和亞硝酸鹽等的含量對海洋生物的生存有直接影響。這些參數(shù)實現(xiàn)了在廢水處理等場合利用生物傳感器的實時在線監(jiān)測。國內(nèi)剛剛開始研究氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽等生物傳感器在海洋環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用等。這種全細(xì)胞生物傳感器主要用于寬污染光譜的環(huán)境監(jiān)測。將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原菌與氧、氫電極結(jié)合，研制了一種用于污染物檢測的生物傳感器。問題是選擇適合海洋環(huán)境的細(xì)菌等微生物。生物傳感器在提供新的、實用的環(huán)境監(jiān)測手段的同時，還具有低成本、容易制作、在線檢查和測試系統(tǒng)大幅度簡化等優(yōu)點，因此受到海洋環(huán)境科學(xué)家的關(guān)注。

在環(huán)境物理監(jiān)測中，迅速獲得一般環(huán)境信息比檢測特別污染更為重要。因此，除了上述生物傳感器外，國家海洋環(huán)境觀測中心開發(fā)了一種生物生理傳感器，用于監(jiān)測污染，包括海洋環(huán)境，該傳感器利用兩種海洋貝殼的生物生理特性，如活模具。用于監(jiān)視環(huán)境模具壽命約為10年，是世界上最快的物種之一。在海水溶解的氧氣不到4毫克/升和氮含量低的惡劣條件下，這種物質(zhì)廣泛分布，具有抗藥性，并可在短期內(nèi)生活。超過400 毫克/立方米。同時，它每24 升海水的過濾能力很強，每隔45.5 升。我國海洋環(huán)境污染的生物監(jiān)測選擇模具為生物指示性數(shù)字生物生理控制傳感器與檢測振動、紊亂等變化的其他傳感器粘合在乙烯盤上。并將封閉信號和其它模具檢測信號發(fā)送到微機上，用于處理統(tǒng)計，用于研究和分析海洋環(huán)境和其他污水源的水污染。

生物傳感器將提供技術(shù)工具和有利條件，以發(fā)展迅速、高靈敏度、低成本和復(fù)原的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。也許在未來使用更多的生物傳感器監(jiān)測海洋污染，以促進(jìn)海洋的開發(fā)和利用。

2 生物傳感技術(shù)在檢測中的具體體現(xiàn)

2.1 營養(yǎng)鹽的檢測

由于氮、磷、硅等植物營養(yǎng)物質(zhì)濃度過高，水質(zhì)富營養(yǎng)化會加速水生生物特別是藻類的大規(guī)模擴散，改變生物群落結(jié)構(gòu)，破壞生物多樣性，破壞環(huán)境質(zhì)量平衡，早期監(jiān)測營養(yǎng)物含量，特別是硝酸銨和磷酸銨的含量，都是溢油預(yù)警的關(guān)鍵，但沒有進(jìn)一步報告硝酸鹽、硝酸鹽酶和微生物探針。用于檢測硝酸鹽和亞硝酸鹽的亞硝酸鹽酶傳感器主要使用還原硝酸鹽和亞硝酸鹽，受可用性和組成限制，硝酸鹽和還原性固氮酶可從許多生物源中分離出來并用于此目的。

硝酸鹽抗性細(xì)菌（不含氮氧化物）固定在傳感器中硝酸鹽抗性細(xì)菌還原硝酸鹽氮氧化物電化學(xué)檢測該傳感器在淡水和海水中與亞硝酸鹽和硝酸鹽反應(yīng)良好，目前用于鹽檢測的生物傳感器很少。銨離子選擇電極和傳感器通常用于銨鹽檢測化學(xué)。由于海水中干擾離子濃度較高，這些傳感器不能直接用于海水檢測。目前文獻(xiàn)中沒有報道非硅酸鹽離子傳感技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。

2.2 生物物種檢測

生物傳感器及其相關(guān)生物傳感器的迅速發(fā)展，擴大了其在微生物多相分類環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用，特別是在鑒別物種和適宜行為方面發(fā)揮著重要作用，積極參與分子系統(tǒng)和生物資源的開發(fā)，致力于微生物多相分類環(huán)境科學(xué)的研究新生物群的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，特別是新的生物群，也發(fā)現(xiàn)了一些未知的環(huán)境，作為鑒定技術(shù)進(jìn)行使用。

該系統(tǒng)的主要目標(biāo)是利用基因技術(shù)來確定海洋微生物的作用。遠(yuǎn)程探測含水層微生物可以實時檢測和識別分子。該系統(tǒng)的自動開發(fā)不僅節(jié)省了大量的資金，而且大大降低了海洋生物研究的成本，為海洋生物檢測研究提供了技術(shù)支持。

2.3 污染物的檢測

海洋污染物可以通過人類活動，以直接或間接的方式進(jìn)入海洋環(huán)境之中，引起物質(zhì)和能量的影響。許多海洋有害污染物在很大范圍內(nèi)，我們需要嚴(yán)格控制這些污染物的排放。含有石油和殺蟲劑、防污材料、重金屬離子和毒素。

生物傳感器已開發(fā)出一種傳感系統(tǒng)，以挑戰(zhàn)未來對海洋監(jiān)測設(shè)備的需求預(yù)測和觀察，如營養(yǎng)鹽、抗生素試劑、殺蟲劑、激素干擾和分子生物學(xué)分類系統(tǒng)。用于海水和海水中有機磷和氨基酸鹽的檢測，食品用乙酰膽堿酯在絲網(wǎng)印刷電極上的應(yīng)用，從而降低了批量生產(chǎn)和使用成本一次性的多壁碳納米管和經(jīng)分層自組裝技術(shù)改性的乙酰膽堿酯酶傳感器檢測到水中的氨基甲酸酯。大多數(shù)生物傳感器檢測殺蟲劑是基于低成本抑制乙酰膽堿的生物傳感技術(shù)。

此外，其他免疫傳感器可用于檢測殺蟲劑，例如含有殺蟲劑的免疫傳感器。以及檢測有機提取物和水樣品的方法，使用細(xì)胞傳感器檢測這些物質(zhì)不僅更加困難，而且還提供了生物利用率和生理反應(yīng)方面的信息，與酶傳感器不同，只對一種物質(zhì)作出反應(yīng)，通常受到重金屬的干擾，這是一個負(fù)面的方面。

海洋監(jiān)測的另一個重要方向是受海洋環(huán)境和沙眼鉆井液污染的氣田的排水（也稱為石油污染）。一般來說，水提取成分非常復(fù)雜，含有消泡劑。生物殺蟲劑、樹脂和乳狀液對這些復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)生一系列急性毒性作用或柱狀物，如果采用相關(guān)的化學(xué)或物理技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測，則相對靈敏、準(zhǔn)確、特異。然而，目前關(guān)于生物相容性、污染物對生物系統(tǒng)的影響和環(huán)境毒性的報道還不充分，生物檢測系統(tǒng)非常適合微生物的一般毒性試驗，提供了一系列有關(guān)微生物的數(shù)據(jù)。

另一種廣泛污染的海水和沉積物污染物是防止污染的物質(zhì)。有機錫化合物是丁基錫（TBT）。據(jù)報道，某些濃度的有機酸對水生生物有害，這是國際海事組織禁止的。雖然有機錫中毒濃度較低，但在目前正在檢測的生物傳感器中，錫的最低檢出限范圍內(nèi)的最低毒性濃度無法檢測，有待進(jìn)一步研究。在基于細(xì)菌生物發(fā)光的生物傳感器之前，TBT 的檢測限值為26mg/L，從而將系統(tǒng)D 中的DBT（過氧化氫）的檢測限制為0.03pg/L。檢測生物傳感器的TBT 檢測限為325ng/L，這是報告的最低檢測限值。因此，有必要進(jìn)一步改進(jìn)有機錫生物傳感器的檢測技術(shù)。

2.4 發(fā)光菌水污染監(jiān)測傳感器

隨著海洋工業(yè)的發(fā)展，海洋污染物的數(shù)量也在迅速增加。許多有毒污染物流入湖泊、河流和海洋，對水生生態(tài)系統(tǒng)造成環(huán)境和生物破壞，這給海洋環(huán)境帶來了更大的壓力，使得很難確定水生生物和其他污染物的實際毒性，因此，水生生物都是使用和毒理學(xué)的對環(huán)境樣品進(jìn)行測試。良好的環(huán)境雖然急性毒性試驗時間長、費用高，但不是常規(guī)方法，但魚類毒性試驗是最常用的常規(guī)方法，由于試驗周期長、操作繁瑣，受魚類試驗條件的限制，難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)。電致發(fā)光法測定的細(xì)菌毒性與其他水質(zhì)指標(biāo)一致，可以反映水體的毒性。

目前，我國水污染存在突發(fā)性污染的特點，主要由事故排放和非法排放引起。隨著污染物濃度的增加，整個流域的生命周期將逐漸消失。

3 生物傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的具體應(yīng)用

環(huán)境監(jiān)測中的生物傳感器教學(xué)是通過穩(wěn)定、檢測速度和生物檢測技術(shù)的再利用提高環(huán)境監(jiān)測水平和質(zhì)量的有效手段。

3.1 生物傳感技術(shù)應(yīng)用有毒物質(zhì)的檢測

環(huán)境中有毒物質(zhì)的存在，不僅影響環(huán)境的穩(wěn)定，也影響著人們的身心健康。生物檢測技術(shù)作為有毒物質(zhì)監(jiān)測的一部分，可以在科學(xué)上提高有毒物質(zhì)檢測的效率和質(zhì)量。環(huán)境科學(xué)檢測環(huán)境中有毒物質(zhì)的生物檢測技術(shù)主要是以大腸桿菌為基礎(chǔ)的細(xì)菌呼吸活性的釋放指標(biāo)保護(hù)區(qū)環(huán)境有毒物質(zhì)影響細(xì)菌的呼吸能力和呼吸效果里爾生物傳感器被放置在為了提高環(huán)境監(jiān)測的有效性和敏感性，使環(huán)境監(jiān)測結(jié)果更可靠，應(yīng)在環(huán)境監(jiān)測區(qū)內(nèi)確定有毒物質(zhì)的等級和毒性，并對其進(jìn)行評價。

3.2 農(nóng)藥檢驗

殺蟲劑是減少植物蠕蟲的有效手段，但作為其有效使用的一部分，過量的殺蟲劑會隨著水流而污染水體的其余部分。水環(huán)境監(jiān)測框架生物識別技術(shù)用于檢測各種農(nóng)藥并獲取硫中農(nóng)藥的信息。在水農(nóng)藥檢測中，農(nóng)藥的主要活性物質(zhì)乙酰膽堿酯酶生物傳感器對水中農(nóng)藥濃度的測定，提高了測定效率、準(zhǔn)確度和可靠性，并采用了環(huán)境監(jiān)測磷根據(jù)環(huán)境監(jiān)測的實際需要，可以降低成本。

3.3 表面活性物質(zhì)檢查

表面活性物質(zhì)不僅造成水體大面積污染，還會在水面產(chǎn)生大量氣泡，并大量減少人體內(nèi)的含氧量，大量動植物死亡，影響環(huán)境的健康和可持續(xù)發(fā)展。為了提高環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量，采用生物傳感技術(shù)對表面活性物質(zhì)進(jìn)行檢測，檢測過程中主要利用LAS 對細(xì)菌的呼吸作用，有效地判斷表面活性物質(zhì)的濃度。利用生物傳感技術(shù)檢測表面活性物質(zhì)，有利于提高檢測質(zhì)量和檢測效果，降低成本，有利于提高質(zhì)量監(jiān)測水平，為水資源保護(hù)提供參考。

3.4 微生物數(shù)量檢測

微生物的數(shù)量會影響環(huán)境。當(dāng)微生物數(shù)量超標(biāo)時，就會影響環(huán)境。生物傳感技術(shù)被用來測量生物體的數(shù)量。主要通過電極和輔助設(shè)備的微生物進(jìn)行測定。有效地提高了微生物數(shù)量的檢測效率，縮短了檢測時間。

4 結(jié)束語

海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞和環(huán)境污染，特別是資源和沿海地區(qū)的污染，嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，甚至威脅到我們未來的生存、環(huán)境保護(hù)和發(fā)展。監(jiān)測海洋環(huán)境是下世紀(jì)初一項緊迫而艱巨的任務(wù)，在未來保護(hù)海洋環(huán)境方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，化學(xué)和生物技術(shù)將發(fā)揮關(guān)鍵作用。環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護(hù)和污染控制的重要前提?？紤]到需要改進(jìn)環(huán)境質(zhì)量環(huán)境賬戶，并通過檢測和預(yù)防環(huán)境污染不斷改變環(huán)境監(jiān)測的質(zhì)量和有效性，環(huán)境監(jiān)測組織繼續(xù)尋找一種有效的方法來提高測試的效率和質(zhì)量。生物傳感器技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用降低了檢測成本。同時使結(jié)果更加現(xiàn)實和有效，滿足環(huán)境監(jiān)測的實際需要，幫助保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)創(chuàng)造健康、綠色和可持續(xù)的環(huán)境。