生物检测

生物监测技术及其研究进展

  生物监测技术及其研究进展_生物学_自然科学_专业资料。生物监测技术及其研究进展

  第 14 卷 第 2 期 2002 年 6 月 江 苏 石 油 化 工 学 院 学 报 JOURNAL OF J IAN GSU INSTITU TE OF PETROCHEM ICAL TECHNOLO GY Vol114 No12 J un12002 文章编号 : 1005 - 8893 ( 2002) 02 - 0057 - 04 生物监测技术及其研究进展 李慧蓉 ( 江苏石油化工学院 环境与安全工程系 , 江苏 常州 213016) Ξ 摘要 : 综述了生物监测的基本原理 、主要特点及环境污染物对生态系统的影响 ; 从大气污染 、水体污染和土壤污染 3 方面讨论 了生物监测的主要方法 ; 介绍了现代生物技术在环境监测中的应用 。 关键词 : 环境监测 ; 生物监测 ; 指示生物 ; 生物传感器 中图分类号 : X 835 文献标识码 : A 利用生物的组分 、个体 、种群或群落对环境污 染或环境变化所产生的反应 , 从生物学的角度 , 为 环境质量的监测和评价提供依据 , 称为生物监测 。 生物监测技术诞生于 20 世纪初 , 其机理及应用研 究 , 经历了一个从生物整体水平到细胞水平 、基因 和分子水平的逐步深化的发展过程 。20 世纪 90 年 代 , 细胞生物学和分子生物学研究领域的迅速进 步 , 加上信息科学技术的突飞猛进 , 使生物监测技 术迈进了一个新的发展时期 。 慢 , 发育受阻 , 失绿黄化及早熟等 。在种群和群落 水平上 , 引起种群数量的密度的改变 , 结构和物种 比例的变化 , 遗传基础和竞争关系的改变 ; 引起群 落中优势种 、生物量 、种的多样性等的改变 。生物 监测 , 正是利用生命有机体对污染物的种种反应 , 来直接地表征环境质量的好坏及所受污染的程度 。 由于环境变化的效应从根本上是对以人为主体 的生物系统的影响 , 因此生物监测对环境素质的优 劣更具有直接和指示作用 。但是生物监测的监测对 象生态系统的复杂性 , 反过来又使生物监测的操作 面临许多问题 。如其灵敏性 、快速性和精确性等都 需进一步提高 , 其对生物学知识和技术的依赖性决 定需要以生命科学的理论和实践作为基础和指导 。 1 生物监测的原理 、特点与问题 生物监测的理论基础是生态系统理论 [ 1 ] 。生 态系统是由包括生产者 、消费者 、分解者的生物部 分和非生物环境部分所组成的综合体 。从低级到高 级 , 它包含有生物分子 → 细胞器 → 细胞 → 组织 → 器 官→ 器官系统 → 个体 → 种群 → 群落 → 生态系统等不 同的生物学水平 。污染物进入环境后 , 会对生态系 统在各级生物学水平上产生影响 , 引起生态系统固 有结构和功能的变化 。例如 , 在分子水平上 , 会诱 导或抑制酶活性 , 抑制蛋白质 、DNA 、RNA 的合 成 。在细胞水平上 , 引起细胞膜结构和功能的改 变 , 破坏象线粒体 、内质网等细胞器的结构和功 能 。在个体水平上 , 对动物导致死亡 , 行为改变 , 抑制生长发育与繁殖等 ; 对植物表现为生长速度减 Ξ 2 生物监测的基本类别 根据监测的环境对象 , 生物监测包括大气 、水 体和土壤污染的生物监测 3 大部分 。 211 大气污染的生物监测 大气污染的生物监测是利用生物对存在于大气 中的污染物的反应 , 监测有害气体的成分和含量 , 以确定大气的环境质量水平 。 在生物体系中 , 植物更易遭受大气污染的伤 害 , 其原因为 : 植物能以庞大的叶面积与空气接 收稿日期 : 2001 - 03 - 20 作者简介 : 李慧蓉 ( 1947 - ) , 女 , 上海市人 , 教授 , 主要从事环境生物技术的教学及研究 。 ?5 8 ? 江 苏 石 油 化 工 学 院 学 报 2002 年 触 , 进行活跃的气体交换 ; 植物缺乏动物的循环系 统来缓冲外界的影响 ; 植物固定生长的特点使其无 法避开污染物的伤害 。正因为植物对大气污染的反 应敏感性强 , 加上本身位置的固定 , 便于监测与管 理 , 大气污染的生物监测主要是利用植物进行监 测 。对大气污染反应灵敏 , 用以指示和反映大气污 染状况的植物 , 称为大气污染的指示植物 [ 2 ] 。 较常用的大气污染的指示植物为 : ( 1) 二氧化硫指示植物 主要为地衣 、苔藓 、落叶松 、杜仲 、水衫等 。 其典型症状 : 多为叶脉间出现块状伤斑 , 也可分布 在叶缘或全叶 ; 伤斑多呈土黄或红棕色 。 ( 2) 氟化物指示植物 主要是指唐昌蒲 、郁金香 、金线草 、葡萄 、大 蒜 、苔藓 、杏 、梅等 。典型症状有 : 伤斑多见叶 尖 、叶缘 , 少数为叶脉之间 ; 伤斑为浅褐 、褐红 色 ; 坏死部分与健康部分存在明显的界线) 二氧化氮指示植物 应用较多的有向日葵 、秋海棠 、番茄 、烟草 、 柑桔 、蚕豆 、瓜类等 。它们的典型症状为 : 多为叶 脉间不规则伤斑 ; 白 、棕色或黄褐色 ; 或全叶点状 伤斑 。 的生物群落法 ( 如浮游生物法 , 底栖动物法等 ) , 它具有快速 、经济和准确等优点 ; 并同样适用于工 业废水的监测 [ 3 ] 。 ( 2) 指示生物法 是最经典的水体污染的生物监测方法之一 。利 用对水环境中污染物敏感的或有较高耐受性的生物 种类的存在或缺失 , 来指示其所依赖的水体内污染 物的质量状况 [ 4 ] 。 指示生物应具有生命周期长 , 有固定住处等特 点 , 便于持久的反映污染物对水体的综合影响 。主 要包括底栖动物 , 浮游动物 , 着生生物和鱼类 。从 分类地位看 , 大型无脊椎动物的应用最广泛 。 指示水体严重污染的生物 : 颤蚓类 、细长摇蚊 幼虫 、静裸藻 、小颤藻等 。指示水体中等污染的生 物 : 居栉水蚤 、四角盘星藻 、脆弱刚毛藻等 。指示 水体清洁的生物 : 扁蜉 、蜻蜓 、田螺等 。 ( 3) 污水生物系统 尽管由 Kolkwitz 和 Marsson 所提出的污水生物 系统 ( Saprobic System) 已有近百年的历史 , 但它 至今仍被广泛地用于水体污染的生物监测 。 该系统的要点是 : 受污染河流的自净作用 , 导 致了河流从上游向下游形成了一系列污染程度由高 到低的连续区带 ; 每一带中都生活有一些特征生 物 , 构成生物区系 ; 根据区系的生物特征可鉴别河 流的不同区带受有机污染的程度 。 在从多污带 , 到中污带 , 直至寡污带的时空推 移过程中 , 水体中与此相对应的特征生物的种类和 数量 , 将经历以细菌和低等原生动物为主 , 到以以 细菌为食的耐污动物占优势 、藻类大量出现 、原生 动物种类增多及高等的鱼类出现 , 直至最后细菌数 量很少 、藻类种类增多 、轮虫等微型动物占优势的 演替过程 [ 5 ] 。 ( 4) 生物标志物 生物标志物 (Biomarker ) , 是以研究污染物作 用下生物体内各种指标的变化为特征的 。作为一种 新的技术 , 目前被应用于水体的污染监测 [ 6 ] 。 生物标志物是可衡量的环境污染物的暴露及效 应的生物反应 。所以它所包含的生物层次是最为广 泛的 , 它覆盖了从生物分子到细胞器 、细胞 、组 织 、器官 、个体 、群体 、群落 , 直至生态系统的所 有范畴 , 是最完整和最综合的生物监测 。 生物标志物基本上分为两类 : 一类是暴露生物 标志物 , 仅指由污染物引起的生物体的变化 , 重在 变化 。另一类是效应生物标志物 , 则指污染物对生 212 水体污染的生物监测 一切污染物的最终归宿是进入水体 。水体污染 的生物监测就尤为重要 。 在天然水域中存在的各种水生生物之间 , 以及 它们和赖以生存的水环境之间 , 处于相互依存 、相 互制约的稳定的平衡状态 ; 一旦水体受到污染 , 水 环境发生变化 , 各种水生生物会对此产生不同的反 应 , 从而构成水体污染监测的生物学根据 。 水体污染的生物监测的方法主要有 : ( 1) 微型生物群落监测法 这里的微型生物是特指生活在水体中的包括细 菌 、藻类 、原生动物 、轮虫 、线虫和甲壳类等的微 小生物 。微型生物群落是水体生态系统的重要组成 部分 , 对水体污染有敏感和稳定的反应 。 最常用的方法是聚氨酯泡沫塑料块法 , 又称 PFU 法 ( Polyuret hane Foam U nit ) 。它的特点是将 聚氨酯泡沫塑料块这种三维的基质投入水体 , 收集 其中的微型生物 。基质的使用不受时间和空间的限 制 , 即可在任何时间浸泡于任何水体的任何深度 ; 加上实践证明所获得的微型生物群落达 85 %种类 , 因此具有环境的真实性 。研究还表明 , 相对于其它 李慧蓉 1 生物监测技术及其研究进展 ?5 9 ? 系 。现代生物技术以分子生物学 、细胞生物学 、微 生物学 、遗传学等学科作为支撑 , 与化学 、化工 、 计算机 、微电子和环境工程等其他学科的紧密结合 和相互渗透 , 极大地丰富了各学科的内涵 , 积极地 推动了科学理论和应用实践的发展 。现代生物技术 正被利用或嫁接到环境监测领域 , 构成了现代生物 监测技术 , 主要有以下几个活跃的方面 。 物体的不利效应 , 重在效应 。 生物标志物具有特异性 、警示性和广泛性 。它 的优势在于 , 能反应污染物的累积作用 , 确定污染 物与生物效应之间的因果关系 , 揭示污染物的暴露 特征 , 更具备现场应用性等 。 指示水体污染的主要生物标志物有 : 细胞色素 P4501A1 ; 金属硫蛋白 ( M T) ; DNA 加合物等 。 213 土壤污染的生物监测 土壤污染所产生的影响大都是间接的 。通过土 壤→ 农作物 → 人体及土壤 → 地下水 ( 地表水) → 人 体 , 这两个最基本的环节对人体产生影响 。 因此土壤污染的生物监测 , 包括土壤污染物对 农作物生长发育的影响 , 对土壤微生物的影响 [ 7 ] 。 21311 植物监测法 利用土壤污染的指示植物进行监测 。土壤受到 污染后 , 污染物对植物产生各种反应 “信号” , 主 要是 : 产生可见症状 , 如叶片上出现伤斑 ; 生理代 谢异常 , 如蒸腾率降低 、呼吸作用加强 , 生长发育 受抑 ; 植物成分发生变化 , 由于吸收污染物质 , 使 植物体中的某些成分相对于正常情况下发生变化 。 将对土壤污染物敏感的植物称为指示植物 , 主 要有 : ① 肥沃土壤 : 长白萱麻 、野凤仙花 、绣球花 等。② 瘠薄土壤 : 杨梅树 、山柳 、杜鹃花等 。 ③ 酸 性土壤 : 映日红 、铺地蜈蚣等 。 ④碱性土壤 : 碱 蓬 、剪刀股等 。 21312 动物监测法 利用动物监测土壤的污染程度主要的报道有 : 蚯蚓体中的镉的浓度与土壤中镉的浓度明显相关 ; 蚯蚓对土壤中的农药 、铅等有较高的敏感性 。软体 动物是一种有实用价值的土壤镉监测的指示动物 。 21313 微生物监测法 主要是通过监测土壤中微生物群落的变化来反 映土壤受到生物污染的状况 。人粪尿是土壤生物污 染的主要污染源 , 其次污水灌溉也可引起土壤的生 物污染 。通过对土壤中异养菌 ( 主要是细菌 、放线 菌和霉菌) 的分离和计数 , 观察和了解受测土壤中 微生物群系的结构和数量的改变 , 从而评价土壤被 微生物所污染的状况及程度 。 311 生物传感器 [ 8 ] 所谓生物传感器是 : 生物感应元件的专一性 , 和一个能够产生与待测对象物的浓度成比例的信号 传导器件 , 结合起来的一种分析装置 。从本质上 讲 , 它属于一类特殊的化学传感器 , 只是所应用的 是生物学的机理 。简单地说 , 生物传感器 = 生物元 件 + 信号传导器 。 生物传感器的主要工作原理是 , 酶 、抗体 、核 酸等生物组分与待测对象发生相互作用 , 通过电子 组分将待测对象检出并转化为可测量的电子信号 。 它是生物技术和微电子技术相融合的产物 。 31111 生物传感器的种类 根据生物传感器中进行分子识别的元件所用的 敏感物质 , 生物传感器分为 : 酶传感器 、细胞传感 器 、微生物传感器 、组织传感器 、免疫传感器等 。 31112 生物传感器在环境监测中的应用实例 仅举两个有代表性的例子 。 ( 1) BOD 生物传感器 属于微生物传感器 。其工作原理 : 以微生物的 单一菌种或混合菌种群作为 BOD 微生物电极 。由 于水中 BOD 物质的加入或降解代谢的发生 , 导致 水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转化 , 耦联 着电流强弱信号的改变 ; 一定条件下传感器输出的 电流值与 BOD 的浓度呈线性关系 。用于制作 BOD 生物传感器的微生物主要有酵母 、假单胞菌 、芽孢 杆菌 、发光菌和嗜热菌等 。 ( 2) 测酚类生物传感器 属于酶传感器 。其工作原理是 , 在检测酚类化 合物时 , 电极表面的酶分子 ( 酚氧化酶 、过氧化氢 酶) 将底物氧化还原为具有电化学活性的苯醌或酚 自由基 , 形成还原电流 , 电流强度与溶液中的酚类 物质的浓度成正比 。 此类生物传感器 , 多数用酪氨酸酶为生物活性 物 , 根据其催化氧化酚类物质的化学反应的不同 , 相应的生物传感器有两大类 : 以氧电极为基底电 极 , 测定溶液中氧浓度的变化 , 间接测得酚的浓 3 现代生物监测技术 现代生物技术是以 DNA 重组技术的建立为标 志的 , 它是多学科纵横交叉的新兴综合性技术体 ?6 0 ? 江 苏 石 油 化 工 学 院 学 报 2002 年 度 ; 利用酚的氧化产物醌在电极上直接或间接的还 原 , 进而通过电流大小测得酚的浓度 。 312 DNA 生物传感器 [ 9 ] 属于以核酸探针为敏感元件的传感器 。它的主 要原理是 , 核酸的分子识别的能力非常稳定 , 特异 性强 , 决定其高准确性和高灵敏度 。 由于 DNA 生物传感器的独特性 , 常将它与一 般的生物传感器相区分 , 以突出其特殊性 。 31211 DNA 杂交生物传感器 利用 DNA 的碱基配对原理 , 探针 DNA 与靶 标样品的核酸发生选择性反应 , 将高度专一性的 DNA 杂交反应与高灵敏度的电化学检测器相结合 , 形成 DNA 杂交生物传感器 , 用于对环境样品中的 微生物的检测 。 如对水体中病原菌 E1 coli 的测定 , 就是将该 种微生物的 DNA 提取出来 , 制成杂交生物传感 器 , 定性地对检测水样品中 E1 coli 的存在进行确 定。 31212 污染物的检测 是利用污染物的毒性作用所设计制造的一种 DNA 生物传感器 。比如检测芳香族化合物的 DNA 生物传感器 , 就是以固定的双链 DNA 分子层作为 识别元件 , 当环境样品中存在目标芳香族化合物 时 , 导致以溴化乙锭作为指示剂的流动注射信号发 生减弱 , 测定目标污染物的浓度 。 扩增 , 而在环境监测领域可用于 : ① 研究特定环境 中的微生物区系的组成和种群特征 ; ② 监测环境中 特定微生物种的动态变化 。 生物监测法 , 从以前以生物的个体 、器官等作 为“探针” , 发展到今天分子生物学的高新技术将 分子水平的 “探针”应用到对环境污染物进行测 定 , 表明了生命科学与环境工程迅速的同步发展的 趋势 。生命科学在环境监测领域中日趋重要的地位 和作用 , 充分说明 : 拓宽学科的研究范围 , 加强学 科间的交流 、渗透和合作 , 在新的研究领域和方向 上实现不同学科间的融合或嫁接 , 对于科学的整体 发展和进步 , 是至关重要的 。 参考文献 : [1] 孔 繁 翔 1 环 境 生 物 学 [ M ] 1 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 20001138 - 1401 [ 2 ] 张志杰 1 环境生物监测 [ M ] 1 北京 : 冶金出版社 , 19901229 - 2351 [ 3 ] 沈韫芬 , 顾曼如 , 冯伟松 1 水污染的微型生物监测 [J ] 1 生 命科学 , 1997 , 9 (2) : 81 - 821 [ 4 ] 张志杰 , 张维平 1 环境污染生物监测与评价 [ M ] 1 北京 : 中 国环境科学出版社 , 19911221 [5] 孔 繁 翔 1 环 境 生 物 学 [ M ] 1 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 200011581 [ 6 ] 王海黎 , 陶澍 1 生物标志物在水环境研究中的应用 [J ] 1 中 国环境科学 , 1999 , 19 (5) : 421 - 4241 [ 7 ] 张志杰 , 张维平 1 环境污染生物监测与评价 [ M ] 1 北京 : 中 313 PCR 技术 PCR 是聚合酶链反应 ( Polymerase Chain Reac2 tion) 的缩写 , 是近年来分子生物学中迅速发展与 国环境科学出版社 , 19911133 , 1381 [ 8 ] 程金平 , 郑敏 , 王文华 1 生物传感器和生物芯片在环境监测中 的应用 [J ] 1 上海环境科学 , 2001 , 20 (12) : 6061 [ 9 ] 王建龙 1DNA 生物传感器在环境污染监测中的应用 [J ] 1 生 广泛应用的一种技术 [ 10 ] 。它的本质是一项酶促合 成 DNA 技术 , 为快速和特异地进行 DNA 的体外 生物合成的技术 。它的初衷是进行 DNA 或基因的 物化学与生物物理进展 , 2001 , 28 (1) : 1251 [ 10 ] 王建龙 , 文湘华 1 现代环境生物技术 [ M ] 1 北京 : 清华大 学出版社 , 200114161 B i ol o gi cal M o ni t o ri n g Tec h n ol o g y a n d I ts P r o g ress i n Resea r c h L I Hui - rong ( Depart ment of Environment and Safety Engineering , Jiangsu Instit ute of Pet rochemical Technology , Changzhou 213016 , China) A bs t r ac t : The basic principles , primary characteristics of biological monitoring and t he effect s of t he environ2 mental pollutant s on t he ecosystem were expounded ; t he main met hods of t he biological monitoring for t he pol2 lution of air , water and soil were discussed. The application of t he modern biological technology to t he environ2 mental monitoring was int roduced . Ke y w o r ds : environmental monitoring ; biological monitoring ; indicator organism ; biosensor

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