生物技术在环境保护及监测中的应用
摘要：进入21世纪以来，生物技术得到了前所未有的发展，先后出现了的微生物工程、微核技术、PCR技术、生物传感器，生物芯片等。本文就微核技术、PCR技术、生物传感器、生物芯片基础知识及在环境监测中的应用做简要介绍。
关键字：生物技术；环境监测；应用
中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：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
随着生物学的发展及近年来对环境监测的重视，环境监测方法不断得到改进，其中一些比较先进的生物学技术也被逐步应用到环境监测领域。具体包括微核技术、PCR技术、生物传感器、生物芯片技术等，检测人员已将其应用到环境监测中，并取得了诸多成效。
1 微核技术
生物细胞中的染色体在复制过程中常会发生一些断裂，在正常情况下，这些断裂绝大多数能“自己愈合”。如果生物细胞在早期减数分裂过程中受到辐射或环境中其他诱变因子的作用而引起的染色体断片，由于缺少了着丝粒而不能受纺锤丝牵引到细胞的两极而游离在细胞质中，当新的细胞形成时，这些断片就形成了大小不等的微核（大小只有主核的1/3以下），分布在主核周围[1]。
1.1 在日常环境监测过程中微核技术主要使用植物微核技术，包含以下方面
其中一个是紫露草微核试验，利用在减数分裂过程中花粉精母细胞的染色体作为诱变因子的攻击目标，将早期四分体中形成的微核作为观察终点，把从大量早期四分体中得到的微核率作为染色体受到损伤的指标，进而评价环境中致突变物对真核生物细胞中染色体的损伤程度；二是利用有丝分裂形成体细胞微核蚕豆根尖藻毒素测定法[2]。
1.1.1 紫露草微核试验
1978 年， 美国Western Illinois 大学的Te - HsinMa利用美国紫露草（它对辐射和诱变反应十分敏感）作为原料， 利用1 ，2 —二乙烷气体进行处理， 诱发小孢子四分体产生微核。从实验的结果来看，微核的数量和1，2—二乙烷气体的浓度息息相关，呈现出正比关系，便有了后來的紫露草微核技术。这种用于放射性危害的监测、室内环境空气监测及水质中的污染程度的监测等。
1.1.2 蚕豆根尖微核试验
1980年Degrassi等研究人员在对多种淡水污染诱变剂损伤的微核效应的实验过程中采用微核技术检测X-射线以及 丝裂霉素C，发明了蚕豆根尖微核实验方法， 建立了微核效应检测技术。这项技术对于诱变物敏感，信息准确，目前广泛用于水体检测。
1.2 微核技术的优点及缺点
材料易准备，经济，可准确地反映某些因素对遗传物质的损伤效应。但也有需要改进的地方，在环境受到较严重污染的情况下有些植物较为敏感，从而生物细胞死亡率升高或者繁殖率下降，都不能准确地反映污染状况。
2 PCR技术
2.1 原理
聚合酶链式反应，简称PCR技术，它是一种选择性体外扩增DNA或RNA片段的方法，这种扩增需要的材料包括：聚合酶，引物，模板，四种脱氧核苷酸和Mg2+。其反应条件与过程可分为三步：DNA变性（90-96℃）、退火（25-65℃）、延伸（70-75℃）。每进行一次DNA变性（90-96℃）、退火（25-65℃）、延伸（70-75℃），DNA的数量便提高1倍，目前由于多种原因包括扩增区问题、TAP酶活性问题，诸多问题影响，PCR技术改成退火以及延伸两个步骤。
2.2 应用
在环境污染中生物污染是十分重要的污染，直接影响着我们的生活质量。分离培养是目前最常用的监测技术，一般需要几天的培养时间，而且有些致病菌难以培养，给监测带来困难。PCR技术可以解决上面产生的问题，需要的时间较短，且特异性好，灵敏度高。应用PCR技术监测生物污染，首先从监测物中提取核酸，其次监测物核酸的PCR扩增，再次扩增产物的监测以及扩增产物的量化。PCR技术用于环境中的生物污染有着诸多的优点，包括简便迅速，灵敏度高，特异性强；同时也存在着许多问题，主要包括污染问题及重复性问题。
3 生物传感器
生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件与适当的理化换能器及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。
3.1 生物传感器的原理
待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。
3.2 生物传感器的特点
利用固定化生物活性物质作催化剂的生物传感器，打破了过去在监测过程中费用高以及在做样过程中程序繁琐的问题。生物传感器只是针对特定的底物起反应，它有比较强大的专一性，不受其他颜色和浊度的影响。检测过程中节约时间， 而且准确度高。操作过程中节省人力，实现了自动化。生物传感器的成本相对较低，使用过程中每个样品仅仅需要几分钱。
3.3 生物传感器的种类
生物传感器根据生命物质不同进行分类，主要包括酶传感器、微生物传感器以及免疫传感器等。
随着生物传感器的不断发展出现了COD传感器，BOD传感器，氟化物传感器，酚类有机物传感器，阴离子表面活性传感器，二氧化碳传感器，阴离子表面活性剂传感器，氨气传感器，CH4传感器等。
4 生物芯片[3]
我国的生物芯片研究始于1997-1998年，近十年来生物芯片在国家的大力支持下发展迅速，也逐渐把研究成果应用与环境监测领域。
（1）我们所说的生物芯片是用硅片或玻璃片和生命材料结合起来制作出来的芯片，也是第三代或者第四代的生物传感器。
（2）随着生物芯片的发展，其被分为如下三类包括：①基因芯片或DNA 芯片；②蛋白质芯片；③芯片实验室。
（3）生物芯片监测水体环境生物。①在控制水质质量方面，生物芯片为人类提供了大量的生物信息，人们在日常的环境监测以及污染物防治活动中要比传统的方法能够监测出来更多的生物和遗传信息，De在监测肺炎链球菌的基因过程中利用的寡核苷酸探针技术，同时检测了肺炎链球菌的生长期与非生长期的基因的差异性表达问题。这个方法在检测水体环境生物方面比较精确，整个过程可在几个小时内完成，而且费用也相对较低。②瞬时检测病原细菌。Rhode Island大学的研究人员利用光纤作为探针，将生物传感器技术与光纤技术相结合，利用光纤末端接触待测物，精确地检测 存在的病原体含量，从而即时检测出其中的病原细菌，整个过程仅需要1～1.5h。此种方法能够快速检测出水中的沙門氏菌以及大肠杆菌。③监测细菌基因表达情况。细菌的全部RNA序列中的mRNA的含量非常低，很难纯化分离出来，但是利用生物芯片便不需要纯化全部的RNA，就能得到全部的信息。④对细菌进行检测及菌种鉴别。利用细菌已知序列的特殊基因或特异的DNA序列，设计特异探针，负载于生物芯片上，可检测样品中对应细菌。Anthony等利用生物芯片建立了一个快速的细菌检测及鉴定系统[4]。Cho等发展了一种基于随机基因组片段的DNA芯片技术方法，能将被检测细菌区分到种的水平。
5 结语
随着生物技术的日益成熟，生物技术在环境监测中的应用必将更为广泛。在应用生物技术的同时，要注意根据不同的研究目的、研究对象选择合适的技术方法。虽然生物技术因具有准确，经济，高效等优点，但还要注意生物技术可能给环境带来的污染。
参考文献
[1]国家环境保护总局.水和废水检测分析方法[M].北京：中国环境科学出版社，2015.232-233，765-771.
[2]王映雪.微核技术在环境监测中应用概括[J].云南环境科学，2013，19（4）：53-55.
[3]吴志强，康长安，顾自强.生物技术在环境保护中的应用[J].广州化工，2015，（6）：142-144.
[4]贾彬，杨蕾.生物技术在环境保护工作中的应用研究[J].农业与技术，2013，（1）：175-176.
收稿日期：2018-03-25
作者简介：李恒（1985-），女，本科，工程师，研究方向为环境监测。
关键字：生物技术；环境监测；应用
中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：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
随着生物学的发展及近年来对环境监测的重视，环境监测方法不断得到改进，其中一些比较先进的生物学技术也被逐步应用到环境监测领域。具体包括微核技术、PCR技术、生物传感器、生物芯片技术等，检测人员已将其应用到环境监测中，并取得了诸多成效。
1 微核技术
生物细胞中的染色体在复制过程中常会发生一些断裂，在正常情况下，这些断裂绝大多数能“自己愈合”。如果生物细胞在早期减数分裂过程中受到辐射或环境中其他诱变因子的作用而引起的染色体断片，由于缺少了着丝粒而不能受纺锤丝牵引到细胞的两极而游离在细胞质中，当新的细胞形成时，这些断片就形成了大小不等的微核（大小只有主核的1/3以下），分布在主核周围[1]。
1.1 在日常环境监测过程中微核技术主要使用植物微核技术，包含以下方面
其中一个是紫露草微核试验，利用在减数分裂过程中花粉精母细胞的染色体作为诱变因子的攻击目标，将早期四分体中形成的微核作为观察终点，把从大量早期四分体中得到的微核率作为染色体受到损伤的指标，进而评价环境中致突变物对真核生物细胞中染色体的损伤程度；二是利用有丝分裂形成体细胞微核蚕豆根尖藻毒素测定法[2]。
1.1.1 紫露草微核试验
1978 年， 美国Western Illinois 大学的Te - HsinMa利用美国紫露草（它对辐射和诱变反应十分敏感）作为原料， 利用1 ，2 —二乙烷气体进行处理， 诱发小孢子四分体产生微核。从实验的结果来看，微核的数量和1，2—二乙烷气体的浓度息息相关，呈现出正比关系，便有了后來的紫露草微核技术。这种用于放射性危害的监测、室内环境空气监测及水质中的污染程度的监测等。
1.1.2 蚕豆根尖微核试验
1980年Degrassi等研究人员在对多种淡水污染诱变剂损伤的微核效应的实验过程中采用微核技术检测X-射线以及 丝裂霉素C，发明了蚕豆根尖微核实验方法， 建立了微核效应检测技术。这项技术对于诱变物敏感，信息准确，目前广泛用于水体检测。
1.2 微核技术的优点及缺点
材料易准备，经济，可准确地反映某些因素对遗传物质的损伤效应。但也有需要改进的地方，在环境受到较严重污染的情况下有些植物较为敏感，从而生物细胞死亡率升高或者繁殖率下降，都不能准确地反映污染状况。
2 PCR技术
2.1 原理
聚合酶链式反应，简称PCR技术，它是一种选择性体外扩增DNA或RNA片段的方法，这种扩增需要的材料包括：聚合酶，引物，模板，四种脱氧核苷酸和Mg2+。其反应条件与过程可分为三步：DNA变性（90-96℃）、退火（25-65℃）、延伸（70-75℃）。每进行一次DNA变性（90-96℃）、退火（25-65℃）、延伸（70-75℃），DNA的数量便提高1倍，目前由于多种原因包括扩增区问题、TAP酶活性问题，诸多问题影响，PCR技术改成退火以及延伸两个步骤。
2.2 应用
在环境污染中生物污染是十分重要的污染，直接影响着我们的生活质量。分离培养是目前最常用的监测技术，一般需要几天的培养时间，而且有些致病菌难以培养，给监测带来困难。PCR技术可以解决上面产生的问题，需要的时间较短，且特异性好，灵敏度高。应用PCR技术监测生物污染，首先从监测物中提取核酸，其次监测物核酸的PCR扩增，再次扩增产物的监测以及扩增产物的量化。PCR技术用于环境中的生物污染有着诸多的优点，包括简便迅速，灵敏度高，特异性强；同时也存在着许多问题，主要包括污染问题及重复性问题。
3 生物传感器
生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件与适当的理化换能器及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。
3.1 生物传感器的原理
待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。
3.2 生物传感器的特点
利用固定化生物活性物质作催化剂的生物传感器，打破了过去在监测过程中费用高以及在做样过程中程序繁琐的问题。生物传感器只是针对特定的底物起反应，它有比较强大的专一性，不受其他颜色和浊度的影响。检测过程中节约时间， 而且准确度高。操作过程中节省人力，实现了自动化。生物传感器的成本相对较低，使用过程中每个样品仅仅需要几分钱。
3.3 生物传感器的种类
生物传感器根据生命物质不同进行分类，主要包括酶传感器、微生物传感器以及免疫传感器等。
随着生物传感器的不断发展出现了COD传感器，BOD传感器，氟化物传感器，酚类有机物传感器，阴离子表面活性传感器，二氧化碳传感器，阴离子表面活性剂传感器，氨气传感器，CH4传感器等。
4 生物芯片[3]
我国的生物芯片研究始于1997-1998年，近十年来生物芯片在国家的大力支持下发展迅速，也逐渐把研究成果应用与环境监测领域。
（1）我们所说的生物芯片是用硅片或玻璃片和生命材料结合起来制作出来的芯片，也是第三代或者第四代的生物传感器。
（2）随着生物芯片的发展，其被分为如下三类包括：①基因芯片或DNA 芯片；②蛋白质芯片；③芯片实验室。
（3）生物芯片监测水体环境生物。①在控制水质质量方面，生物芯片为人类提供了大量的生物信息，人们在日常的环境监测以及污染物防治活动中要比传统的方法能够监测出来更多的生物和遗传信息，De在监测肺炎链球菌的基因过程中利用的寡核苷酸探针技术，同时检测了肺炎链球菌的生长期与非生长期的基因的差异性表达问题。这个方法在检测水体环境生物方面比较精确，整个过程可在几个小时内完成，而且费用也相对较低。②瞬时检测病原细菌。Rhode Island大学的研究人员利用光纤作为探针，将生物传感器技术与光纤技术相结合，利用光纤末端接触待测物，精确地检测 存在的病原体含量，从而即时检测出其中的病原细菌，整个过程仅需要1～1.5h。此种方法能够快速检测出水中的沙門氏菌以及大肠杆菌。③监测细菌基因表达情况。细菌的全部RNA序列中的mRNA的含量非常低，很难纯化分离出来，但是利用生物芯片便不需要纯化全部的RNA，就能得到全部的信息。④对细菌进行检测及菌种鉴别。利用细菌已知序列的特殊基因或特异的DNA序列，设计特异探针，负载于生物芯片上，可检测样品中对应细菌。Anthony等利用生物芯片建立了一个快速的细菌检测及鉴定系统[4]。Cho等发展了一种基于随机基因组片段的DNA芯片技术方法，能将被检测细菌区分到种的水平。
5 结语
随着生物技术的日益成熟，生物技术在环境监测中的应用必将更为广泛。在应用生物技术的同时，要注意根据不同的研究目的、研究对象选择合适的技术方法。虽然生物技术因具有准确，经济，高效等优点，但还要注意生物技术可能给环境带来的污染。
参考文献
[1]国家环境保护总局.水和废水检测分析方法[M].北京：中国环境科学出版社，2015.232-233，765-771.
[2]王映雪.微核技术在环境监测中应用概括[J].云南环境科学，2013，19（4）：53-55.
[3]吴志强，康长安，顾自强.生物技术在环境保护中的应用[J].广州化工，2015，（6）：142-144.
[4]贾彬，杨蕾.生物技术在环境保护工作中的应用研究[J].农业与技术，2013，（1）：175-176.
收稿日期：2018-03-25
作者简介：李恒（1985-），女，本科，工程师，研究方向为环境监测。
