微生物开展环境监测现状及发展趋势

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[摘要]将环境监测传统技术与微生物技术进行了比较。简述了粪大肠菌群、发光菌、鼠伤寒沙门氏菌、藻类、底栖无脊椎动物在环境常规监测中的应用现状和作用。对聚合酶链式反应技术、生物酶技术、生物传感器技术、生物芯片等现代微生物环境监测技术进行了介绍。探讨了微生物用于环境监测的发展趋势，核酸探针、PCR技术等先进技术也广泛的应用于环境监测，显示出了良好的应用前景。

[关键词]微生物；环境监测，现状；发展趋势，发光菌；生物传感器；核酸探针

目前，我国的环境监测仍以常规化学监测为主，如化学需氧量、生化需氧量、LAS、挥发酚等常规化学指标的监测，可以较好地反映出环境中污染物的量，是一个量化的指标，根据这些数据来评价河水的环境质量，但却无法反映出水体中污染物对生物的影响。由于微生物对环境的变化及其敏感，生物监测能够克服传统的用物理、化学指标评价水质的缺点，可以直观的对累积效应等做出评价，弥补传统的使用物理和化学指标评价环境质量的不足，在环境监测工作中表现出特殊的意义，成为环境监测的重要组成部分[1-2]。生物监测就是利用生物对水体、大气、土壤污染或变化所产生的反应来判断水体污染状况的一种水体污染监测方法。根据生物个体、种群或群落对环境污染或变化所产生的反应阐明环境污染状况，从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据。

1环境监测传统技术与微生物技术的对比

在环境理化指标监测中，利用到化学监测方法和物理监测方法。主要针对环境污染物的性质、含量、来源以及分布状况等进行监测，需要用到操作复杂的仪器和设备。其中有一部分监测方法得出的结果并不能较好地反应水体的污染程度。例如制药工业废水，处理后的废水化学需氧量达标排放，但受某些大分子、难降解残留药物的影响，处理后的废水具有显著的生物毒性[3]。利用微生物进行环境监测是近年来环境监测的新方向。通过研究微生物对环境污染以及环境变化的反应来进行环境监测，其操作方法简单，并且环境样本很难受到外界污染影响。利用微生物进行环境监测有非常多的优势，具有可靠性好、稳定性强、直观作用强的特点：包括影响作用直接、能够十分有效地进行环境污染物探查和筛选，可以做到对污染物长期毒性的早期预报，同时具有较强的实时性，可以在较短的时间内使污染物对生物的影响得到显现。利用微生物进行监测的技术虽然比物理、化学监测有更多的优势，但缺乏固定的标准，监测技术相对来说较为复杂，监测结果的应用具有局限性等[4]。

2微生物用于环境监测的相关监测技术

2.1大肠菌群与环境监测

水质情况与人们的健康息息相关，检测水中的细菌情况对保护人类的身体健康起到重要的作用。然而由于水体中的致病菌数量通常很少，很难直接检测出来，通常利用大肠菌群这种间接显示粪便污染的指标来检测。测定大肠菌群的方法是发酵法以及滤膜法这两种方法。在我国水质检测中，用两种方法来表示大肠菌群的数量，第一种是大肠菌群数，即1L水中含有的大肠菌群数量；第二种是大肠菌群值，指的是从水中检测出的1个大肠菌群数的最小水样体积数，数值与水中含有的大肠菌群呈现反比特征。

2.2发光细菌用于环境监测

发光细菌是一类能运动的格兰仕阴性兼性厌氧杆菌，如费舍尔弧菌或者国产青海盐湖菌。这些菌种含有发光成分，在一定条件下会发出蓝绿色或者明亮的可见光。当发光细菌遇到有毒物质时，由于影响到了细菌的新陈代谢，发光强度会变弱甚至熄灭，这种发光强度的变化可以通过发光检测仪进行检测[5-9]。各种液体中的有毒物质可以通过发光细菌来监测，气体或者土壤中的有毒污染物可以通过吸收或者浸泡的方式将其转移到水体中，再来监测其给发光细菌带来的影响。

2.3鼠伤寒沙门氏菌检测物质致突变性与致癌性

根据调查研究显示，人类的癌症有占据八成到九成是来自于环境影响，化学因素是最主要的环境因素。现阶段全世界已经发现七万多种化学物质，其中有一成化学物质会致癌。化合物的迅速增加，导致传统的检测方法已经难以适应新环境的需要。随着技术的不断革新，纵观全世界，目前已经有上百种快速测试的方法，应用最为广泛的测试方法是致突变试验，其结果能够显示化学物质的致突变型及其潜在的致癌性。

2.4藻类对水质污染的监测

所谓藻类监测是指利用水中藻类植物来观察和断定水体污染的状况。由于水体污染会带来水体在物理和化学条件上的变化，这两种变化会直接作用于水藻状态的改变，通过对水藻种类以及数量构成，加上它们对有毒物质积累所表现出来的生理反应以及生化反应，来准确地判定水体污染程度及污染性质。虽然通过物理监测和化学监测能够检测出水体中污染物的类别以及含量大小，但是也存在很多缺陷，包括不能断定这些有毒物质是否对生物有机体有影响，化学监测结果只能反映取样的瞬间情况，等等。因此，借助藻类监测所具有的独特优势可以更为准确地判断水体污染情况，从而判断环境污染的发展趋势[10~12]，用其作为水质污染的指示生物还是非常合适的。

2.5底栖无脊椎水生动物对水环境质量的监测

水体中分布着较多无脊椎底栖动物，主要以节肢动物门昆虫纲幼虫为主、甲壳纲也常见，软体动物门的瓣鳃纲、腹足纲，环节动物门的寡毛纲、蛭纲也很普遍。底栖生物均有一定的耐污能力，即耐污值。通过监测底栖动物种类和数量，根据耐污值进行水环境质量评价，具有较好直观性，也能反映出水环境质量的长期变化，克服了常规理化指标只能评价瞬时水环境质量的缺陷[13~14]。

3微生物用于环境监测的现代监测技术

3.1聚合酶链式反应技术

聚合酶链式反应技术（PCR）是现代分子生物学的基础实验工具，这种技术目前已经在中国广泛运用，并衍生出诸如逆转录、定量、竞争、多重等在内的较多种类。PCR技术主要是检测无法培养的微生物，将传统分离培养法弃之不用，用来检测包括土壤、水分、沉积物等在内的各种环境标本。该技术具有便捷、迅速的特点，且具有极强特异性和较高灵敏度，使环境监测效率大大提高。

3.2生物酶技术

生物酶技术主要包括生物酶抑制技术和生物酶免疫技术这两种。其中前者是利用诸如重金属以及农药等在内的环境污染物对特定酶的抑制作用，加上显色剂，通过观察显色情况来判定酶是否受抑制，从而实现对环境污染物的监测。后者是结合了免疫技术同现代测试手段，将抗原抗体的免疫反应和酶的高效催化作用巧妙地结合在一起，通过竞争法、间接法以及双抗体夹心法等方法，根据抗原抗体的特异性反应，利用现代光学分析仪器进行颜色变化的检测。生物酶技术由于操作简单迅速、灵敏度高、稳定性好以及特异性强等特点，受到环境监测的广泛运用。

3.3生物传感器

生物传感器是借助生物的一系列反应进行检测和分析的一套系统。帮助其进行功能性识别的原元件包括微生物、酶、抗原或抗体等具有生物活性以及固定化的生物学元件。将外界对生物造成的理化性质方面的影响通过信号转换元件转为电信号，然后由信号放大装置将其进行放大，从而完成监测。从生物分子识别的角度分析，包括细胞传感器、组织传感器、免疫化学传感器、微生物传感器、酶传感器以及DNA传感器等。具有很多优点：体积构造小，可以进行随时随地的连续监测；造价和使用成本较低，方便扩大宣传和推广；所需样品数量少，也无需样品预处理，并且不需要再额外添加别的试剂。传统的检测方法操作复杂、准确率低，也不能够及时地反映水质状况，利用生物传感器就可以有效地避免这些缺陷带来的不利影响，从而实现环境自动监测，为环境监测自动化提供了可能。

3.4生物芯片技术

生物芯片技术是根据分子间特异性相互作用的原理，将生命科学研究中不连续的样品检测、分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统，然后与标记好的待测生物样品中靶分子杂交，通过仪器对杂交信号的强度进行定性和定量分析。生物芯片具有多种优点，包括操作方便快速，具有非常好的特异性和平行性，全程自动化检测，没有任何污染，并且检测过程不需要太多的样品或者试剂，生物芯片技术主要应用于大批量筛选环境样品与对其的分析研究中。

4微生物用于环境监测的发展趋势

目前研究较多的是应用核酸探针、聚合酶链式反应技术(PCR技术)等，国内外对其进行了广泛的研究。非放射性核酸探针的灵敏度和特异性已经达到了较高的水平，并广泛应用于水环境中志贺氏菌、耶尔森氏菌、粪大肠菌等腹泻性致病菌的监测。PCR技术适用于土壤、沉积物等不能培养微生物的监测，且检测时间短，短时间内即可以完成测试。科技的不断进步，使用成本会逐渐降低，今后核酸探针和PCR技术有希望取代常规水质微生物检验的方法。生物传感器在环境检测上的研究发展也很快，已达到应用水平。李宗义等人[15]认为微生物传感器能适应宽范围的pH和温度，使用寿命长、分析时间短、价格相对较低等特点，有利于大气和废气监测的亚硫酸、亚硝酸盐、氨、甲烷及C02微生物传感器等。

5总结

利用微生物进行环境监测有优势也有不足。随着经济发展和分子生物学技术的革新，从事环境监测和环境保护的工作人员以及生物学工作者应不断探索研究，使微生物监测技术不断改善和丰富，同时配合其他环境监测技术及方法，发挥出不同监测手段的不同优势，取长补短，更好地为环境监测工作提供科学、有效的技术支撑，推动环境监测给环境科学带来更多的贡献和作用。

参考文献:

[1]郑珏雅.利用生物监测技术监测水环境污染的研究进展[J].科技与创新,2015(11):80~81

[2]张平.利用生物监测技术监测水环境污染的研究进展[J].北方环境,2011,23(8):65~67

作者：马林娟 单位：平乡县环境监测站