生命科学与工程学院综述姓名：潘华国学号：20103115专业班级：生物工程1002班指导老师：魏红福生物传感器与环境监测研究进展综述潘华国生物工程1002班 20103115（西南科技大学生命科学与工程学院绵阳 621010）前言：详细介绍了生物传感器相关知识。

讨论了各类生物传感器在水、大气环境监测领域中的应用,测定BOD、酚、农药残留和NO3-的水环境监测的生物传感器；测定SO2和NO X的大气环境监测的生物传感器；测定土壤重金属的生物传感器以及检测内分泌干扰物、持久性有机污染物和监测水体富营养化的其他环境监测方面的应用。

并对生物传感器的未来发展方向做了展望。

关键词：生物传感器;环境监测;污染物中图分类号：Q343.1;文献标识码：ABiosensor and Environmental Monitoring Research ProgressWere ReviewedP AN Hua-guo(School of Life Science and Engineering,Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010,China)Abstract:Biosensor is introduced in detail in this paper.The applications of all kinds of biosensors in water and air environment monitoring are discussed,The water environment monitoring biosensor determining BOD, phenol, pesticide residues and NO3-, the atmospheric environmental monitoring biosensor determining SO2 and NO X and biosensors determining heavy metals in soil were summaried. Moreover, the other environmental monitoring aspect applications of biosensors such as determining endocrine disruptors, persistent organic pollutants and monitoring eutrophication were also introduced. At last,the development of biosensors in the future was forecasted.Keywords: Biosensor；Environmental monitoring ；Pollutant引言：随着各国经济的迅速发展，环境污染问题逐渐凸现出来，并成为制约经济快速发展的因素。

在环境监测中有许多生化指标需要简便、快速、自动化的测定，生物传感器因其满足了上述要求而在近十几年中得到了迅速发展。

生物传感器按敏感元件的不同可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、DNA传感器等。

按转换器转换对象的不同可分为pH转换器、O2转换器、CO2转换器、NH3转换器等[1]；按测量信号的不同又可分为电化学传感器、光学传感器、测热型传感器、半导体传感器等。

生物传感器按应用空间又可以分为以下三类：用于水环境监测的生物传感器；用于测定土壤重金属的生物传感器；用于大气环境监测的生物传感器[2、3]。

1、用于水环境监测的生物传感器目前生活污水和工业废水的排放量不断增加，其中绝大部分污水经过生物法处理后排入水体，其各项指标的监测需要在实验室中进行。

对于大多数污水处理厂来说，实现水质的在线检测仍是一个难题。

生物传感器的应用，使得废水的生物处理过程的在线检测成为可能。

1.1 BOD生物传感器BOD是衡量水体有机污染程度的重要指标。

测定BOD的传统标准稀释法所需时间长、操作繁琐、准确度差。

普通的BOD传感器一般是将微生物夹膜固定在溶解氧探头上[4，5]，溶解氧随缓冲溶液进入到生物膜层，部分的溶解氧被微生物消耗。

剩余的溶解氧通过可透气的Teflon膜而被氧电极所检测到。

当样品溶液通过检测系统时，可降解的有机物通过多孔渗透膜渗透到微生物层而被微生物氧化、吸收，从而引起膜周围溶解氧的减少，导致了氧电极的电流下降。

将测定的电流与标准曲线进行对比，可测定BOD。

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。

张悦等[6]研制的BOD测定仪采用聚乙烯醇凝胶包埋方式固定酵母，并将固定化酵母直接分散悬浮在溶液中，将BOD探头插入溶液中测量BOD，在0～200 mg/L内有较好的线性测量关系，且有较好的准确性。

1.2用于快速测定细菌总数的生物传感器细菌总数是水质样品中的重要污染指标之一。

目前普遍采用平板菌落记数法，测定周期长，准确度不高，主观误差大。

生物传感器的快速测定引起了人们极大的兴趣。

韩树波等研制成功一种新的伏安型细菌总数生物传感器，通过对电极及其辅助测定装置的设计，可使测定下限达3x104 cells，测定周期在0.5 h左右[7]。

用菌悬液抽滤制成细菌阻留膜，立即把此膜附着在无菌罩中的修饰电极上，用滤膜定位装置将电极及起滤膜固定于弹性电解池底部，记录伏安扫描曲线，所得峰电流值与相应样品的校正工作曲线相对照，计算细菌总数。

大肠杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、啤酒酵母菌的线性响应范围依次是2x 104一4.8x107,2x104一4.60x 1 07,3x 1 04一9.16x107, 2 x 104一9.60x 107,2x104一9.60x 107 cells。

1.3 测定NO3-生物传感器NO3-是测定水中污染物的重要指标之一，目前有多种利用不同的NO3-还原酶作为催化剂的生物传感器装置。

MARTY等发明了用假单细胞菌固定在小毛细管中，置于N2O小电化学传感器的前端来测定NO3-的小型微生物传感器，该传感器在小于400 μmol/L下呈线性响应[8、9]。

1.4 测定酚的生物传感器微生物传感器是快速准确测定废水中酚含量的方法[10]，是以微生物电极、酶电极和植物电极为传感器测定的。

反应机理见式（1）和式（2）。

苯酚＋O2＋2H+＋酪氨酸酶→邻苯二酚（1）邻苯二酚＋O2＋酪氨酸酶→邻苯二醌（2）当酚类物质与O2一起扩散进入微生物膜时，由于微生物对酚的同化作用而耗氧，致使进入氧电极的O2速率下降，传感器输出电流减小，并在几分钟内达到稳态。

在一定的浓度范围内，电流降低值△I与酚的浓度之间呈线性关系，由此来测定酚的浓度。

由于此反应需要酪氨酸酶，穆冬燕等[11]用麦芽糊精修饰的酪氨酸酶碳糊电极构成电流型生物传感器来测定水中酚类污染物质。

在外加电压为－100 mV(vs.SCE)、pH为5.40的磷酸盐缓冲溶液中，在苯酚摩尔浓度为2.0×10-7～1.0×10-5 mol/L内电极电压与苯酚摩尔浓度有良好的线性关系，其检测下限为1.0×10-7 mol/L。

2 、用于大气环境监测的生物传感器2.1 用于监测硫化物的生物传感器硫化物的测定在环境监测中居重要地位。

目前常用的测定方法有亚甲基蓝比色法、碘量滴定法和电位滴定法等。

这些方法往往需要对样品进行预处理，不但药品消耗量大，而且易造成测定误差。

白志辉等用硫化物杆菌制成硫化物传感器，用于对生活污水、工业废水、含HZS气体等基体复杂的样品中的硫化物的测定[12、13]。

该方法是从硫铁矿的酸性土壤中分离、筛选出氧化硫硫杆菌，将其固定化，制备成微生物膜，再与氧电极组装成微生物传感器，用于样品中微量硫化物的测定。

实验研究表明:该传感器响应S2-质量浓度线性范围为0.06一1.50 mg/L，响应时间为3- 6 m in,30 d 内测定500余次，灵敏度保持不变。

2.2 测定NO X的生物传感器NO X是引起光化学烟雾的最主要原因，利用硝化细菌以硝酸盐为唯一能源这一特点，用多孔气体渗透膜，固定化硝化细菌和氧电极组成微生物传感器[14]，能有效测定样品中亚硝酸盐的含量。

此传感器选择性很高，不易受乙酸、乙醇等挥发物质的干扰。

当亚硝酸盐低于0.59 mmol/L时，通过氧电极的电流与硝化细菌的好氧量之间有良好的线性关系，检测限为0.01 mmol/L。

除了能对以上两种大气中的主要污染物进行检测外，对其他空气污染物的监测也有报道。

GIL等采用埃希氏菌属作为基质，用琼脂固定与传导器组成生物传感器，对工厂周围的大气进行连续监测，能检测出空气中的苯和甲苯等有毒物质的浓度变化。

3、测定土壤重金属的生物传感器生物传感器用于土壤中污染物的检测目前报道较少。

基于抑制作用的酶生物传感器测定环境样品中的抑制剂的研究近年来备受关注，该法可应用于检测土壤中的污染物。

汤琳等[20]提出了一种基于抑制作用的新型葡萄糖氧化酶生物传感器用于测定土壤样品中的二价汞离子。

该法克服了传统的冷原子吸收分光光度法、高锰酸钾-过硫酸钾消解双硫腙分光光度法等方法中预处理过程复杂、费用高、不能实地检测的缺点。

二价汞离子可作为葡萄糖氧化酶的一种抑制剂，在pH较低的酸性环境中，能与酶活性中心的某些位点结合而抑制酶的活性，从而引起响应电流的下降，产生可测定信号。

该传感器对汞离子的检出限为0.49 ng/mL，抑制率和汞离子浓度的自然对数值在0.49～783.21 ng/mL和783.21 ng/mL～25.55 μg/mL内分别呈良好的线性关系，酶电极在抑制后可以完全恢复活性[15、16]。

4、生物传感器在环境监测其他方面的应用4.1 在环境监测中的其他应用生物传感器能对污染物进行连续、快速、实时监测。

Timur等以恶臭假单细胞菌—DSM50026细胞作为敏感元件研究出的测酚生物传感器，其工作原理为：假单细胞菌催化氧化酚，最终生成CO2和H2O[17]。

在此过程中的电子转移通过锇络合物传递给电极，从而根据电流变化检测环境中酚的浓度。

4.2 监测水体富营养化水域中一些浮游生物暴发性繁殖引起水色异常的现象称为赤潮。

赤潮是水质受到污染，水体富营养化的结果，多发生在近海海域。

叶绿素a是浮游植物进行光合作用时，有机物生产力的一个重要指标[18]。

日本设计出叶绿素a的自动监测仪，通过对水中叶绿素a的检测来监测水体富营养化的发生。

该仪器体积小，可设置在表层水下10～100 cm处，检测范围为0～20 μg/L。

4.3 检测持久性有机污染物常见的持久性有机污染物是氯化烃类，如三氯乙烯（TCE）、四氯乙烯（PCE）等。