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针式吸盘题目：现代环境生物技术在环境监测与污染治理中的应用
学 号： 123138303
专 业： 环境科学与工程
姓 名： 赵双双
现代环境生物技术在环境监测及污染治理中的应用
摘要：随着分子生物学的迅速发展，现代生物技术在环境监测中的应用越来越广泛，而日益严重的环境污染问题成为制约经济和社会发展的重要障碍。本文重点介绍了生物技术在环境
污染治理中的应用。
关键词：环境保护；生物技术；环境污染
前言
随着工业、农业生产的迅猛发展、人类生活水平的逐步提高、农用化学物质的广泛应用，以及能源的大力开发，环境中增加了化学性、物理性及生物性的新物质，这对赖以生存的环境带来了不良影响。同时，污染物导致资源环境中的生物重组，且其致癌性、致畸性、致突变性也严重威胁人类的健康和生命。因此，及时监测环境的质量、综合治理环境污染，已成为世界各国学者重点关注、迫切需要解决的热点问题[1]。现代生物技术是指以DNA技术为先导，以其简单、快速、灵敏、特异性强、样品量少、效益高、开发周期短等优势而得到迅速发展，正逐步取代一些传统的研究方法，必将愈来愈广泛、深入应用于环境科学方面研究；在今后的一段时间内，必将成为环境科学领域重点开发和应用的技术手段，为环境污染治理、防治提供了新的思路和方法[2]。
1．应用于污染治理的分子生物学技术
1.1生物芯片技术
生物芯片技术是通过缩微技术，根据分子间特异性相互作用的原理，将生命科学领域不连续的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，以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。其工作原理是采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。由于常用玻片或硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。 生物芯片技术的主要特点是高通量、微型化和自动化。生物芯片上高度集成的成千上万密集排列的分子微阵列，能够在很短时间内分析大量的生物分子，使人们能够快速准确地获取样品中的生物信息，检测效率是传统检测手段的上千倍。生物芯片将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。根据芯片上的固定探针不同，生物芯片可
分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片，另外根据其工作原理还可分为元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯片。如果芯片上固定的是肽或蛋白，则称为肽芯片或蛋白芯片；如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探针或DNA，就是DNA芯片。
1.2核酸探针检测技术
核酸探针检测技术属于一类分子标记技术，利用能与特定核苷酸序列发生特异性互补的已知核苷酸片段作探针分析DNA序列及片段长度多态性，被标记的探针根据碱基互补配对原则，可直接用来探测溶液中细胞组织内或固定在膜上的同源核酸序列。被放射性或非放射性元素标记的探针以原位杂交、Southern印迹杂交、斑点印迹和狭线印迹杂交等不同的方法，可直接用来探测溶液中、细胞组织内或固定在膜上的同源核酸序列。由于核酸分子杂交的高度特异性及检测方法的高度灵敏性，使得核酸分子杂交技术广泛应用于对环境中微生物的检测，定性、定量分析它们的存在、分布、丰度和适应性等研究目标。DNA标记直接提供了遗传物质的信息，因而被广泛应用。以mRNA为基础的分子标记能更灵敏地反映污染条件对生物的作用，反映变异水平高。
1.3酶联免疫吸附检测
酶联免疫吸附法（ELISA）是把抗原抗体的免疫反应和酶的高效催化作用原理有机地结合起来的一种检测技术。ELISA的基础是抗原或抗体的固相化及抗原或抗体的酶标记。结合在固相载体表面的抗原或抗体仍保持其免疫学活性，酶标记的抗原或抗体既保留其免疫学活性，又保留酶的活性。在测定时，受检标本（测定其中的抗体或抗原）与固相载体表面的抗原或抗体起反应。用洗涤的方法使固相载体上形成的抗原抗体复合物与液体中的其他物质分开。再加入酶标记的抗原或抗体，也通过反应而结合在固相载体上。此时固相上的酶量与标本中受检物质的量呈一定的比例。加入酶反应的底物后，底物被酶催化成为有产物，产物的量与标本中受检物质的量直接相关，故可根据呈的深浅进行定性或定量分析。
ELISA法具有灵敏、特异、简单、快速、稳定及易于自动化操作等特点，不仅适用于临床标本的检验，而且由于一天之内可以检查几百份甚至上千份样品，因此也适合于血清流行病学调查。ELISA常用的方法主要包括双抗体夹心法、间接法、竞争法以及BAS－ELISA等。
1.4微核技术
微核技术是利用环境污染因子引起生物细胞染体畸变产生微核而建立的一种新生物学检测技术。所谓微核是指由于生物受到内外环境因素的影响，染体的结构发生异常变化，形成无着丝粒断片或染体在后期时移动滞后现象。细胞分裂后期，无着丝粒断片或滞后染体不能向细胞的两极运动，而是残留在细胞中央的赤道板附近，当子代细胞形成时，游离于细胞质中形成微核。
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微核技术最大的优点是经济、简单、快速，而国内外大量的试验研究表明，该技术在敏感性、特异性和准确性方面，与经典的染体畸变分析方法基本相当。因而，特别适合作为大量化合物和现场人初筛的实验方法。近年来，随着分子生物学技术的迅速发展和渗透微核试验的检测和应用范围得到了广泛的拓展，已发展成为能同时检测染体断裂、丢失、分裂延迟、分裂不平衡、基因扩增、不分离、DNA损伤修复障碍、凋亡、细胞分裂不平衡等多种遗传学终点的检测，因而近年来国际上有人提出了新微核试验概念，从而大大拓展了微核试验的应用范围。微核技术的种类很多，包括常规微核试验、细胞分裂阻滞微核分析法、荧光原位杂交试验与DNA探针与抗着丝粒抗体染等方法。在微核检测技术中
可以利用的实验材料主要有：动物的骨髓红细胞系、外周血淋巴细胞、上皮脱落细胞以及植物中的蚕豆或紫露草的根尖或茎尖细胞等。
1.5PCR技术
PCR技术又称聚合酶链反应技术，是一种在体外扩增核酸的技术。该技术模拟体内天然ＤＮＡ的复制过程。其基本原理是在模板、引物、4种dNTP和耐热DNA聚合酶存在的条件下，特异扩增位与两段已知序列之间的DNA区段的酶促合成反应。每一循环包括高温变性、低温退火、中温延伸三步反应。每一循环的产物作为下一个循环的模板，如此循环30次，介于两个引物之间的新生DNA片段理论上达到230拷贝（约为10９个分子）。
PCR技术在环境监测上主要可用于生物类污染物的检测，检测过程大致包括以下步骤[3]：①模板核酸的提取；②PCR扩增靶序列；③PCR扩增产物的检测与分析。
2.分子生物学技术在环境中的应用
2.1分子生物学技术在环境监测中的应用
生物芯片技术已成功应用到环境监测中的水质控制、病原细菌瞬时检测、细菌基因表达水平测量及菌种鉴定等方面。法国一家水管理企业开发的生物芯片可随时监测公共饮用水中微生物的变化；Rhondisland大学开发的一种生物芯片技术可瞬时检测出水中的沙门氏菌和大肠杆菌；利用ＤＮＡ芯片建立的细菌检测及鉴定系统，可快速（<4h）监测细菌的种类和浓度，且该系统的精确性、检测范围和鉴定能力能通过在芯片上增加更多的寡核苷酸探针得到持续扩展[4]。古马隆树脂
ELISA因具有特异性高、敏感性强、结果易于检测，已广泛应用于环境监测等领域。利用间接ELISA的灵敏性和特异性跟踪监测不同土壤中苏云金芽孢杆菌的Bt杀虫蛋白的含量，结果证实ELISA可用于生防菌杀虫蛋白的监测；利用间接竞争ELISA分析方法来检测稻田土壤中除草剂毒莠定残留，结果表明，毒莠定的检出下限可达5ng/ml，样品基质对检测结果没有干扰。近年来，ELISA在农药残留检测方面的应用也得到迅速发展，该技术已成功应用于甲胺磷、甲基对硫磷、菊酯类农药、氟虫腈杀虫剂、除虫脲农药等的检测[5]。
微核的形成体现了环境的污染状况，常常以微核出现的频率计算污染指数，测定环境的污染状况。利用水花生根尖微核技术对马鞍山市废水进行监测发现，水花生根尖微核可作为
监测水体污染的新材料，其根尖细胞微核率MCN（‰），不仅可用于监测不同废水的污染程度，而且由于该植物长期生活在污染水体中，还能反映不同废水的污染物富集程度及现状；根据蚕豆根尖微核试验结果，扬中市水体的遗传毒物污染可分为重污染状态的排污河道、中轻污染的沟塘及基本没有污染的河道和通江闸口等3种类型，且发现大河大港等流动水体的水质好于河沟及塘水的水质；另外，大蒜根尖和紫露草的微核也已成功用于水体污染的监测[6]。
Niederhauser等[7]利用PCR技术检测食品中的单核细胞增生性李斯特菌，只需几个小时即可完成，大大缩短了分析周期（传统方法需10d）。刘永军等[8]通过设计多种肠道病原细菌的通用引物，运用实时荧光定量PCR方法，实现了环境水体中肠道病原细菌的定量检测，并具有很好的灵敏度，检测结果与传统的滤膜法相比较，可信度为94％。PCR技术的高灵敏度和专一性特别适于检测大量平行的样品，藉由与其他已知方法相结合扩增特定的基因序列，用于检测环境中有传染性的寄生性孢菌[9]。不仅如此，PCR技术还可以跟踪检测环境中的基因工程菌株，测定基因表达和根据基因序列的诊断来检测环境中的特异性种[10]。随着PCR技术的不断发展，又相继建立了套式PCR、反向PCR、复式PCR等。
2.2分子生物学技术在污染治理中的应用
2.2.1生物技术在废水处理中的应用
现代废水生物处理技术是利用水中微生物的新陈代谢功能，使废水中的有机物降解转化为无害的物质，使废水得以净化。属于生物法处理工艺的有活性污泥法、生物膜法、自然生物处理法和厌氧生物处理法等[11复合柴油]。
2.2.2生物技术在废气净化处理中的应用
生物净化技术应用于废水处理领域已有100多年的历史，而应用于废气处理的历史则很短。自20世纪80年代末以来，这一方法已逐渐成为工业废气净化处理领域的研究热点。目前较为成熟的生物处理方法主要有生物过滤、生物洗涤和生物吸附法等。生物技术法与传统有机废气处理方法比较，具有成本低、效率高、安全性好和无二次污染等优点。废气生物净化处理技术多利用微生物来发挥作用，根据微生物在废气处理过程中存在的形式，可分为吸附法和过滤法两类。吸收法主要用来处理含胺、酚和乙醛等污染物的气体，去除率可高达95％；生物过滤法常用于有臭味废气的降解。
美国利用微生物代谢来净化工业性恶臭气体效果显著，而且不产生二次异臭；德国和荷兰利用生物膜过滤处理含硫化氢的气体，硫化氢去除率达90％以上[12]。Kim等在人工条件下模拟生物过滤器处理含不同浓度NH3的气体，填充物为用海藻酸钠和PVA包埋的固定化微生物小球，当入口NH3浓度为4.5g/（m3·h）时，去除率几乎为100％[深海导航13]。魏在山等利用生物膜填料塔对橡胶再生脱硫过程中产生的低浓度有机废气进行试验性处理，结果表明生物膜填料塔处理工业有机废气是可行的，当条件适宜时，净化效率可保持在90％以上，能够实现达标排放，该工艺还具有投资小、运行费用低等优点[14]。
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