摘要：近年来，微生物细胞传感器在各个科学领域中得到越来越广泛的应用，例如，医学毒

　　性分析及研究、污染物监测与控制等很多方面。微生物细胞传感器在环境保护中的应用主要

　　体现在环境分析和环境监测等方面。本文通过结合微生物细胞传感器在环境监测中的应用实

　　生物传感器大多由两部分组成，一是分子识别元件，级具有分子识别能力的生物活性物质；

　　二是信号转换器，电化学电极、气敏电极、热敏电阻等。微生物细胞传感器是生物传感器的

　　一种，是指通过一定的固定方法将生物敏感元件—对毒性环境或特定污染物有感应能力的微

　　生物菌株和具有信号转换功能的介质相连，借助特定设备将信号放大输出。由于微生物本身

　　在数量、繁殖、遗传改造等方面均具有独特优势从而可以满足环境监测过程中简单、快速、

　　原位、低成本等要求。除此之外，细胞本身是具有生物活性的个体，因此其所监测的毒物量

　　均为生物有效性的，这是一般的化学分析手段所不能达到的。因此，微生物细胞传感器在环

　　在实践中，微生物细胞传感器主要应用于环境总毒性的监测、重金属的监测、有机污染物的

　　监测、抗生素的监测和N、P等营养元素生物有效性的监测等。从监测原理的方面来说，对微

　　生物细胞传感器的应用基本符合其定义。在对环境总毒性的监测主要采用发光细菌的非特异

　　性生物传感器，例如，我国科学家在1983年筛选出一株明亮发光杆菌用于测定污染水体中的

　　生物毒性并监测重金属污熊猫体育染的土壤的生物总毒性。与其他方法相比，发光细菌法简便、快速、

　　灵敏、适应性强、重复性好、精度高、费用低、用途广等优点。在对重金属监测的应用中，

　　主要方法是通过构建不同的特意性微生物细胞传感器报告菌株用以监测，例如2002年，

　　Robert等人利用绿色荧光蛋白(GFP)，通过基因转录研制出一种细菌荧光素酶生物传感器，

　　利用该生物传感器可检测亚微克水平的亚砷酸盐和砷酸盐，对砷污染地区能进行在线、长期

　　的环境监测，效果显著且费用较低。对有机污染物监测的应用实例可以提及在2001年，中国

　　张志仁等人构建了一个质粒，将萤火虫荧光素酶报告基因插到二恶英反应增强子的下游从而

　　受其调控，然后将该质粒转入细胞，成功构建了一个含重组质粒的稳定细胞株，该菌株可用

　　于二恶英类物质的检测。该方法的灵敏度是普通方法的3倍，线性范围更宽，监测时间更短。

　　抗生素是近年日益受到关注的新型污染物，在这一领域有利用tetA基因的下游连接报告基因

　　lacZ，根据lacZ以表达产生的β-半乳糖苷酶的情况可以检测环境中四环素族类抗生素的存

　　在，最低的检测浓度可以达到0.1ng/ml。此外，还有很多实验室已经成功利用蓝藻菌构建报

　　告菌株，对P、N等营养元素的生物有效性进行检测。在其他各种环境污染胁迫的检测中，微

　　以微生物细胞传感器在海洋中快速测定BOD的应用为例，对微生物细胞传感器的环境监测原

　　理进行进一步探讨。测定用生物传感器选用一株耐高渗透压的酵母菌种，采用了聚乙烯醇包

　　埋法这种细胞固定化方法。此方法之外，国外现行常采用的BOD测定方法为：在（20+-1）度

　　环境中培养五天，再分别测定样品培养前后的溶解氧，最后二者之差即为这五天的生化需氧

　　量。这种方法操作复杂、重现性差、耗时耗力、干扰大不易进行现场检测。而上文提到的这

　　种采用微生物细胞传感器的方法可以在很大程度上完善或避免这样的缺陷。微生物细胞传感

　　器是能感受规定的测定两并按照一定规律将其转化为可观测新号的器件。传统的BOD测定方

　　法通过五天的耗氧量计算BOD，而微生物细胞传感器测定BOD只涉及到初始的氧化速率，大大

　　提高了测定的准确率和可信度。同时两者之间的相关性也可以通过测定标准溶液的方法来获

　　得。实验步骤也比较简单，测定所选用的酵母为一株有良好发酵性能的好氧酵母菌种，其对

　　有机底物有广谱食性、耐渗透压能力、干燥保存以及可以及可以即时恢复活性并能长久保持

　　酶的活力等特点。后采用聚乙烯醇凝胶包埋法：将湿重5g的细胞悬浮于10ml0.9%NacL中，与

　　12.5mL10%的聚乙烯醇和1%的海藻酸钠混合溶液相混合。然后用0.40mmID的注射器滴加到冷

　　却的饱和H3BO3与1%的CaCl2的混合溶液中，使其形成2mm直径的白色球型小珠，并在其中浸

　　泡24h，然后再生理盐水中洗涤。最后，在测定的过程，将固定化的酵母与100ml去离子水混

　　合液放置在敞开的150ml的小烧杯中，用搅拌子与微量曝气管进行搅拌和曝气。曝气强度为

　　24L/h，温度设定为30度，PH为5，待其中的溶解氧稳定后加入10ml待测溶液，直至溶解氧下

　　降至新的稳定状态。溶解氧两个稳定状态之间的差值代表所测定溶液的BOD值。在此结束后，

　　由于是测量海水中的BOD，还要考虑渗透压以及重金属离子对为微生物传感器的抑制和毒性

　　通过以上对微生物传感器在海洋BOD测定中应用的阐述，可以清晰看到其与传统测定方法相

　　比在操作性和准确性上的优势。微生物细胞传感器所具有的快速、易操作、在线连续性监测

　　等特点，非常适应现代环境分析监测的需求。在未来，对微生物细胞传感器的应用必将越来

　　越广泛，越来越有效。对于当下来说，微生物细胞传感器仍有许多制约因素需要通过更进一

　　步的研究来解决其在应用过程中的限制。首先是实际监测过程中的响应时间的问题，简单来

　　说就是导入微生物细胞的强启动子对特异污染物响应的有效性及报告基因启动有所表达的

　　效率，这是限制传感器细胞敏感度、精确性、响应时间的关键。针对这一问题必须更进一步

　　的研究细菌基因表达调控网络。同时为应对迅速出现的各种新型污染物因为必须找到更多能

　　对不同污染物有所响应的调控元件来增加微生物细胞应用的适应性和广泛性。第二，研究配

　　合微生物细胞传感器的便携且适应性高的信号转化设备是发展此类传感器应用的关键。在实

　　际监测中需要能原位、快速、准确，所以需求转换介质的高度灵敏性，能将微生物细胞传感

　　器所表达的信号快速准确的转化并放大为可疑测量的信号。同时由于设备需要功能的高度集

　　中，所以信号的表达、接收、转化、测量需要集中在一个模块或者一个芯片上以实现设备的

　　便携性。第三，微生物细胞传感器使用的是微生物活体作为作为监测中的敏感元件，因此在

　　实际的毒性环境监测的的时候必须具有较高的稳定性、一致性和长期性，这一问题现在通过

　　冷冻干燥、真空干燥、继代培养以及例如将微生物细胞传感器制成生物芯片或固定在特殊的

　　纤维上等固定技术得到了一定解决。最后，在实际应用中也会产生假阴性的问题，会导致错

　　误结果的产出。这是由于细胞的生长受到许多因素的影响。如营养物质、温度、含氧量等等，

　　现今的污染物越来越复杂，浓度越来越高，容易致使细胞丧失活力死亡而监测不到信号，测

　　量结果出现偏差。现在对此的解决方法主要有两种，一个是利用细胞数量指示生长环境的总

　　毒性，以报告基因的表达信号指示特定的读物和污染胁迫。第二是采用双报告基因系统，导

　　入一些在细胞内是恒量的、低水平表达的基因，以此基因的表达状况作为基线监测环境中总

　　毒性的情况，另外一个报告指定毒物和胁迫。虽然微生物细胞传感器在很多方面比传统方法

　　有明显的优势，但也存在很多缺陷，按比较典型的来说，以微生物活细胞来设计生物传感器，

　　其实是调动微生物细胞的整个系统来对外源物质进行响应，优点总结老说为，获取微生物细

　　胞比较容易；微生物细胞是极为丰富的酶源。而且细胞膜系统本身就是最适宜的酶活动的载

　　体。通过特定方法维持细胞活性，可以保持长时间的酶活性；由于调动整个细胞或部分酶体

　　系参与反应。催化过程有可能在细胞内循环，信号得以放大，因此，微生物电极的灵敏度比

　　相应熊猫体育的酶电极的高。但又由于微生物细胞的复杂性。致使微生物电极也存在一些先天不足：

　　一是多酶体系的存在，有可能对复杂样品产生非特异性响应。二是维持细胞活性是一个精细

　　的过程，然而常常由于缺乏足够的经验而导致细胞过早的死亡，微生物传感器的工作寿命因

　　而受到影响。三是以全细胞为敏感元件的微生物电极，测定受到多种因素的影响，如细胞的

　　通透性、酶的诱导活性、细胞内相关酶的活性状态等，因而微生物电极测定的精度和重复性

　　一般比酶电极的要差。四是微生物固定化方法也需要进一步完善，首先。要尽可能保证细胞

　　的活性；其次，细胞与基础膜结合要牢固，以避免细胞的流失：另外，微生物膜的长期保存

　　问题也有待进一步的改进，否则难以实现大规模的商品化。五是生物响应稳定性和微型化便

　　如果能够充分利用上述优点并克服或避免其缺陷．则微生物传感器能够发挥重要作用。在这

　　方面，前日本东京大学先导科学研究所的Iso Karube研究组最为活跃。微生物传感器现已在

　　各领域得到应用，其检测能力已被广泛认识。但很多传感器目前仍处于研究阶段，测定对象

　　中的毒害因素如重金属和有毒有机物是影响微生物传感器稳定响应和寿命的关键因素。也是

　　微生物传感器市场化的主要控制因素。因此，开发新的固定化技术，利用微生物育种、基因

　　工程和细胞融合技术研制出新型、高效耐毒性的微生物传感器是该领域科研人员面临的课题。

　　相信微生物传感器作为一个具有发展潜力的研究方向。定会随着生物技术、材料科学、微电