生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)及監(jiān)測中的應(yīng)用

摘要：進(jìn)入21世紀(jì)以來，生物技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，先后出現(xiàn)了的微生物工程、微核技術(shù)、PCR技術(shù)、生物傳感器，生物芯片等。本文就微核技術(shù)、PCR技術(shù)、生物傳感器、生物芯片基礎(chǔ)知識及在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用做簡要介紹。

關(guān)鍵字：生物技術(shù)；環(huán)境監(jiān)測；應(yīng)用

中圖分類號：X83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）05-0235-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.139

Abstract： After entering the 21st century， biotechnology has achieved unprecedented development. There have been microbiological engineering， micronuclear technology， PCR technology， biosensors， and biochips. This article briefly introduces micronuclear technology， PCR technology， biosensors， basic knowledge of biochips， and applications in environmental monitoring.

Keywords： Biotechnology； Environmental monitoring； Applications

隨著生物學(xué)的發(fā)展及近年來對環(huán)境監(jiān)測的重視，環(huán)境監(jiān)測方法不斷得到改進(jìn)，其中一些比較先進(jìn)的生物學(xué)技術(shù)也被逐步應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。具體包括微核技術(shù)、PCR技術(shù)、生物傳感器、生物芯片技術(shù)等，檢測人員已將其應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測中，并取得了諸多成效。

1 微核技術(shù)

生物細(xì)胞中的染色體在復(fù)制過程中常會(huì)發(fā)生一些斷裂，在正常情況下，這些斷裂絕大多數(shù)能“自己愈合”。如果生物細(xì)胞在早期減數(shù)分裂過程中受到輻射或環(huán)境中其他誘變因子的作用而引起的染色體斷片，由于缺少了著絲粒而不能受紡錘絲牽引到細(xì)胞的兩極而游離在細(xì)胞質(zhì)中，當(dāng)新的細(xì)胞形成時(shí)，這些斷片就形成了大小不等的微核（大小只有主核的1/3以下），分布在主核周圍[1]。

1.1 在日常環(huán)境監(jiān)測過程中微核技術(shù)主要使用植物微核技術(shù)，包含以下方面

其中一個(gè)是紫露草微核試驗(yàn)，利用在減數(shù)分裂過程中花粉精母細(xì)胞的染色體作為誘變因子的攻擊目標(biāo)，將早期四分體中形成的微核作為觀察終點(diǎn)，把從大量早期四分體中得到的微核率作為染色體受到損傷的指標(biāo)，進(jìn)而評價(jià)環(huán)境中致突變物對真核生物細(xì)胞中染色體的損傷程度；二是利用有絲分裂形成體細(xì)胞微核蠶豆根尖藻毒素測定法[2]。

1.1.1 紫露草微核試驗(yàn)

1978 年， 美國Western Illinois 大學(xué)的Te - HsinMa利用美國紫露草（它對輻射和誘變反應(yīng)十分敏感）作為原料， 利用1 ，2 —二乙烷氣體進(jìn)行處理， 誘發(fā)小孢子四分體產(chǎn)生微核。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，微核的數(shù)量和1，2—二乙烷氣體的濃度息息相關(guān)，呈現(xiàn)出正比關(guān)系，便有了后來的紫露草微核技術(shù)。這種用于放射性危害的監(jiān)測、室內(nèi)環(huán)境空氣監(jiān)測及水質(zhì)中的污染程度的監(jiān)測等。

1.1.2 蠶豆根尖微核試驗(yàn)

1980年Degrassi等研究人員在對多種淡水污染誘變劑損傷的微核效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程中采用微核技術(shù)檢測X-射線以及 絲裂霉素C，發(fā)明了蠶豆根尖微核實(shí)驗(yàn)方法， 建立了微核效應(yīng)檢測技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)對于誘變物敏感，信息準(zhǔn)確，目前廣泛用于水體檢測。

1.2 微核技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

材料易準(zhǔn)備，經(jīng)濟(jì)，可準(zhǔn)確地反映某些因素對遺傳物質(zhì)的損傷效應(yīng)。但也有需要改進(jìn)的地方，在環(huán)境受到較嚴(yán)重污染的情況下有些植物較為敏感，從而生物細(xì)胞死亡率升高或者繁殖率下降，都不能準(zhǔn)確地反映污染狀況。

2 PCR技術(shù)

2.1 原理

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，簡稱PCR技術(shù)，它是一種選擇性體外擴(kuò)增DNA或RNA片段的方法，這種擴(kuò)增需要的材料包括：聚合酶，引物，模板，四種脫氧核苷酸和Mg2+。其反應(yīng)條件與過程可分為三步：DNA變性（90-96℃）、退火（25-65℃）、延伸（70-75℃）。每進(jìn)行一次DNA變性（90-96℃）、退火（25-65℃）、延伸（70-75℃），DNA的數(shù)量便提高1倍，目前由于多種原因包括擴(kuò)增區(qū)問題、TAP酶活性問題，諸多問題影響，PCR技術(shù)改成退火以及延伸兩個(gè)步驟。

2.2 應(yīng)用

在環(huán)境污染中生物污染是十分重要的污染，直接影響著我們的生活質(zhì)量。分離培養(yǎng)是目前最常用的監(jiān)測技術(shù)，一般需要幾天的培養(yǎng)時(shí)間，而且有些致病菌難以培養(yǎng)，給監(jiān)測帶來困難。PCR技術(shù)可以解決上面產(chǎn)生的問題，需要的時(shí)間較短，且特異性好，靈敏度高。應(yīng)用PCR技術(shù)監(jiān)測生物污染，首先從監(jiān)測物中提取核酸，其次監(jiān)測物核酸的PCR擴(kuò)增，再次擴(kuò)增產(chǎn)物的監(jiān)測以及擴(kuò)增產(chǎn)物的量化。PCR技術(shù)用于環(huán)境中的生物污染有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，包括簡便迅速，靈敏度高，特異性強(qiáng)；同時(shí)也存在著許多問題，主要包括污染問題及重復(fù)性問題。

3 生物傳感器

生物傳感器是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。

3.1 生物傳感器的原理

待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物活性材料，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。

3.2 生物傳感器的特點(diǎn)

利用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑的生物傳感器，打破了過去在監(jiān)測過程中費(fèi)用高以及在做樣過程中程序繁瑣的問題。生物傳感器只是針對特定的底物起反應(yīng)，它有比較強(qiáng)大的專一性，不受其他顏色和濁度的影響。檢測過程中節(jié)約時(shí)間， 而且準(zhǔn)確度高。操作過程中節(jié)省人力，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。生物傳感器的成本相對較低，使用過程中每個(gè)樣品僅僅需要幾分錢。

3.3 生物傳感器的種類

生物傳感器根據(jù)生命物質(zhì)不同進(jìn)行分類，主要包括酶傳感器、微生物傳感器以及免疫傳感器等。

隨著生物傳感器的不斷發(fā)展出現(xiàn)了COD傳感器，BOD傳感器，氟化物傳感器，酚類有機(jī)物傳感器，陰離子表面活性傳感器，二氧化碳傳感器，陰離子表面活性劑傳感器，氨氣傳感器，CH4傳感器等。

4 生物芯片[3]

我國的生物芯片研究始于1997-1998年，近十年來生物芯片在國家的大力支持下發(fā)展迅速，也逐漸把研究成果應(yīng)用與環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。

（1）我們所說的生物芯片是用硅片或玻璃片和生命材料結(jié)合起來制作出來的芯片，也是第三代或者第四代的生物傳感器。

（2）隨著生物芯片的發(fā)展，其被分為如下三類包括：①基因芯片或DNA 芯片；②蛋白質(zhì)芯片；③芯片實(shí)驗(yàn)室。

（3）生物芯片監(jiān)測水體環(huán)境生物。①在控制水質(zhì)質(zhì)量方面，生物芯片為人類提供了大量的生物信息，人們在日常的環(huán)境監(jiān)測以及污染物防治活動(dòng)中要比傳統(tǒng)的方法能夠監(jiān)測出來更多的生物和遺傳信息，De在監(jiān)測肺炎鏈球菌的基因過程中利用的寡核苷酸探針技術(shù)，同時(shí)檢測了肺炎鏈球菌的生長期與非生長期的基因的差異性表達(dá)問題。這個(gè)方法在檢測水體環(huán)境生物方面比較精確，整個(gè)過程可在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，而且費(fèi)用也相對較低。②瞬時(shí)檢測病原細(xì)菌。Rhode Island大學(xué)的研究人員利用光纖作為探針，將生物傳感器技術(shù)與光纖技術(shù)相結(jié)合，利用光纖末端接觸待測物，精確地檢測 存在的病原體含量，從而即時(shí)檢測出其中的病原細(xì)菌，整個(gè)過程僅需要1～1.5h。此種方法能夠快速檢測出水中的沙門氏菌以及大腸桿菌。③監(jiān)測細(xì)菌基因表達(dá)情況。細(xì)菌的全部RNA序列中的mRNA的含量非常低，很難純化分離出來，但是利用生物芯片便不需要純化全部的RNA，就能得到全部的信息。④對細(xì)菌進(jìn)行檢測及菌種鑒別。利用細(xì)菌已知序列的特殊基因或特異的DNA序列，設(shè)計(jì)特異探針，負(fù)載于生物芯片上，可檢測樣品中對應(yīng)細(xì)菌。Anthony等利用生物芯片建立了一個(gè)快速的細(xì)菌檢測及鑒定系統(tǒng)[4]。Cho等發(fā)展了一種基于隨機(jī)基因組片段的DNA芯片技術(shù)方法，能將被檢測細(xì)菌區(qū)分到種的水平。

5 結(jié)語

隨著生物技術(shù)的日益成熟，生物技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用必將更為廣泛。在應(yīng)用生物技術(shù)的同時(shí)，要注意根據(jù)不同的研究目的、研究對象選擇合適的技術(shù)方法。雖然生物技術(shù)因具有準(zhǔn)確，經(jīng)濟(jì)，高效等優(yōu)點(diǎn)，但還要注意生物技術(shù)可能給環(huán)境帶來的污染。

參考文獻(xiàn)

[1]國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水檢測分析方法[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2015.232-233，765-771.

[2]王映雪.微核技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用概括[J].云南環(huán)境科學(xué)，2013，19（4）：53-55.

[3]吳志強(qiáng)，康長安，顧自強(qiáng).生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用[J].廣州化工，2015，（6）：142-144.

[4]賈彬，楊蕾.生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)工作中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2013，（1）：175-176.

收稿日期：2018-03-25

作者簡介：李恒（1985-），女，本科，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測。