微生物生物傳感器課件

1、微生物生物傳感器傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法雖能準(zhǔn)確定量分析污染物中主要成分的含量，但不能直接反映各種有毒物質(zhì)對(duì)環(huán)境和生物的綜合影響。傳統(tǒng)的生物毒性監(jiān)測(cè)以水蚤、藻類或魚類等為受試對(duì)象，雖然能反映毒物對(duì)生物的直接影響，但是這些方法的最大缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，操作復(fù)雜，不能及時(shí)反映水質(zhì)情況。 近年來(lái)，隨著微生物固定化技術(shù)的發(fā)展，微生物傳感器的研究和應(yīng)用取得很大進(jìn)展。開(kāi)發(fā)了使用固定化微生物的各種傳感器，如發(fā)光型微生物傳感器、硝化細(xì)菌傳感器、全細(xì)胞微生物傳感器等用于水質(zhì)分析。這些傳感器以很高的靈敏度對(duì)各種污染物的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且具有簡(jiǎn)便、快速、靈敏、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用前景十分廣闊。一、微生物傳感器工作原

2、理 微生物在利用物質(zhì)進(jìn)行呼吸或代謝的過(guò)程中，將消耗溶液中的溶解氧或產(chǎn)生一些電活性物質(zhì)。在微生物的數(shù)量和活性保持不變的情況下，其所消耗的溶解氧量或所產(chǎn)生的電活性物質(zhì)的量反映了被檢測(cè)物質(zhì)的量，再借助氣體敏感膜電極(如溶解氧電極、氨電極、二氧化碳電極、硫化氫電極)或離子選擇電極(如pH玻璃電極)以及微生物燃料電池檢測(cè)溶解氧和電活性物質(zhì)的變化，就可求得待測(cè)物質(zhì)的量，這是微生物傳感器的一般原理。 微生物傳感器主要由兩部分組成：第一部分是微生物膜，此膜是由微生物與基質(zhì)(如醋酸纖維素等)以一定的方式固化形成；第二部分是信號(hào)轉(zhuǎn)換器(如O2電極、氣敏電極或離子選擇電極等)。 將這兩部分耦合便可構(gòu)成微生物傳感器。

3、二、微生物傳感器的分類與生物毒性檢測(cè)發(fā)光微生物傳感器硝化細(xì)菌傳感器埃希氏茵屬和假單胞茵屬傳感器藻類與藍(lán)細(xì)菌傳感器全細(xì)胞生物傳感器發(fā)光微生物(luminous microbes)傳感器 發(fā)光微生物指自然界存在、細(xì)胞內(nèi)具有生物發(fā)光代謝系統(tǒng)的原核和真核微生物，近來(lái)還包括導(dǎo)入發(fā)光基因而使原本不發(fā)光的微生物具備發(fā)光特性的基因工程發(fā)光微生物。 發(fā)光微生物毒性測(cè)試中應(yīng)用最多的是明亮發(fā)光桿菌，可以檢測(cè)各種水體中的有毒物質(zhì)，對(duì)于氣體中可溶性有毒物質(zhì)，可通過(guò)把它吸收、溶解在溶液中，然后觀察其對(duì)發(fā)光細(xì)菌的影響。 FMNH2+RCHO+O2 熒光 +FMN+H2O+RCOOH 細(xì)菌熒光酶 正常生理狀況下，在氧氣與細(xì)菌

4、熒光素酶的參與下，細(xì)胞可發(fā)出波長(zhǎng)為420670nm的可見(jiàn)光。如果有有毒物質(zhì)存在，會(huì)抑制酶的活性，使發(fā)光量降低，其減弱的程度與毒物的毒性大小和濃度成負(fù)相關(guān)，因而可以根據(jù)發(fā)光菌發(fā)光強(qiáng)度判斷毒物毒性大小，用發(fā)光強(qiáng)度表征毒物所在環(huán)境的急性毒性。以明亮發(fā)光桿菌為生物識(shí)別元件，以硅光電二極管作為細(xì)胞光信號(hào)和電信號(hào)轉(zhuǎn)換的敏感元件，構(gòu)建了細(xì)菌發(fā)光傳感器，分別對(duì)苯酚、樂(lè)果、乙醛、Hg+、Cu2+、Zn2+等污染物急性毒性進(jìn)行快速檢測(cè)研究，同時(shí)和哺乳動(dòng)物毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對(duì)比。毒性測(cè)試結(jié)果表明，在pH=7.0，溫度20，3.0NaCI底液條件下，固定化菌膜發(fā)光強(qiáng)度達(dá)24nw，穩(wěn)定發(fā)光時(shí)間6080min，毒性測(cè)試結(jié)果的

5、EC50值與哺乳動(dòng)物毒性試驗(yàn)的LD50具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r=0.95。采用光纖探頭結(jié)構(gòu)、以明亮發(fā)光桿菌作為指示物制作了光纖式發(fā)光菌傳感器，以Zn2+為測(cè)試對(duì)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Zn2+的EC50大約為5.06mg/L，檢測(cè)范圍為10ppb200ppm，與采用國(guó)標(biāo)推薦的方法測(cè)得的結(jié)果有很好的一致性。2.硝化細(xì)菌(nitrifying bacteria)傳感器 硝化細(xì)菌是一群化能自養(yǎng)型細(xì)菌，從氧化NH3及HNO2中取得能量，以CO2為碳源進(jìn)行生活。 硝化細(xì)菌對(duì)毒物非常敏感，因此以固定化硝化細(xì)菌做指示物、以氧電極(也可采用氨電極)作為換能器構(gòu)建的硝化細(xì)菌傳感器可用于氨、亞硝酸鹽、尿素等物質(zhì)的測(cè)

6、定。 Kobos研究了測(cè)定硝酸鹽的細(xì)菌膜電極，硝酸根在細(xì)菌細(xì)胞的硝酸鹽還原酶和亞酸鹽還原酶的作用下發(fā)生如下反應(yīng)： 用一個(gè)氨敏電極可以檢測(cè)產(chǎn)生的氨，把含有所需酶的固氮菌株耦合到一個(gè)氨敏電極中，從而得到對(duì)硝酸鹽敏感的細(xì)菌式傳感器。這種細(xì)菌式電極，以氣敏電極為基礎(chǔ)，相對(duì)地不受離子的干擾。3.埃希氏菌屬(E.coli)和假單胞菌屬(Pseudomonas)傳感器 均為化能異養(yǎng)型、革蘭氏陰性無(wú)芽孢桿菌。埃希氏菌屬僅包括大腸桿菌一個(gè)種，該菌具有對(duì)有機(jī)底物的廣譜食性，耐滲透壓能力強(qiáng)，能長(zhǎng)久保持酶的活力等優(yōu)點(diǎn)，是人們研究最為徹底的微生物，常用作遺傳工程宿主菌株。假單胞菌屬由于生物體多樣化，而且在污染物降解中起

7、著重要的作用，適合構(gòu)建各種生物傳感器。 目前，許多研究將大腸桿菌和假單胞菌的代謝過(guò)程作為檢測(cè)指標(biāo)，以氧電極測(cè)定基質(zhì)溶解氧的消耗、以CO2電極檢測(cè)呼吸作用CO2的產(chǎn)生或添加氧化還原介質(zhì)(mediator)，如苯醌類、鐵氰化鉀，測(cè)定細(xì)胞轉(zhuǎn)化介質(zhì)過(guò)程中電極產(chǎn)生的電流變化。4.藻類(algae)與藍(lán)細(xì)菌(cyanobacteria)傳感器藻類容易培養(yǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是最常見(jiàn)的構(gòu)建生物傳感器的生物元件之一。它的工作原理是：通過(guò)產(chǎn)氧型光合作用，葉綠素吸收光量子轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，回到基態(tài)時(shí)產(chǎn)生熒光；此類光合作用與綠色植物一致，而除草劑等毒物可阻斷光合作用的電子傳遞鏈而產(chǎn)生抑制乃至致死效應(yīng)。用藻構(gòu)建的生物傳感器主要是

8、通過(guò)氧氣釋放、pH值，電子傳遞鏈及葉綠體的變化給出污染物影響信號(hào)的。藍(lán)細(xì)菌傳感器，其工作原理與藻類很類似，都是可進(jìn)行產(chǎn)氧型光合作用，有研究者利用聚球藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞作為生物基質(zhì)構(gòu)建的生物傳感器可以用于檢測(cè)水體中的除草劑，通過(guò)檢測(cè)細(xì)胞中光合成電子傳輸系統(tǒng)，當(dāng)有污染物存在時(shí)，會(huì)對(duì)傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。該方法非常簡(jiǎn)單方便，可迅速提供污染信息，適于在線監(jiān)測(cè)。5.全細(xì)胞生物傳感器 微生物全細(xì)胞傳感器，利用完整的微生物活細(xì)胞作為實(shí)體通過(guò)修飾微生物遺傳物質(zhì)，引入報(bào)告基因系統(tǒng)使同一細(xì)胞具備敏感多種污染物的功能的裝置。商業(yè)上可行的、最早的全細(xì)胞生物傳感器是用于監(jiān)控廢水和污水處理廠中的可被生物降解的有機(jī)化合物。目前，開(kāi)發(fā)微

9、生物傳感器的復(fù)合應(yīng)用功能正是科研工作者研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)，并已取得一系列進(jìn)展。 由于其高度特異性，全細(xì)胞生物傳感器可望用作一種報(bào)警傳感器以監(jiān)控水體中的污染物。三、展望 生物傳感器的廣泛應(yīng)用仍面臨著一些困難，測(cè)定對(duì)象中的毒害因素如重金屬和有毒有機(jī)物是影響微生物傳感器穩(wěn)定響應(yīng)和壽命的關(guān)鍵因素，也是微生物傳感器市場(chǎng)化的主要控制因素。因此， 研究開(kāi)發(fā)新的固定化技術(shù)，利用微生物育種、基因工程和細(xì)胞融合技術(shù)研制新型、高效耐毒性的微生物傳感器，提高檢測(cè)器使用壽命，信號(hào)轉(zhuǎn)換使用壽命，生物響應(yīng)穩(wěn)定性和微型化便攜式將會(huì)是今后科研工作者的研究重心。友情在我過(guò)去的生活里就象一盞明燈，照徹了我的靈魂，使我的生存有了一點(diǎn)點(diǎn)

10、光彩。名不正，則言不順；言不順，則事不成。論語(yǔ)子路友誼也像花朵，好好地培養(yǎng)，可以開(kāi)得心花怒放，可是一旦任性或者不幸從根本上破壞了友誼，這朵心上盛開(kāi)的花，可以立刻萎頹凋謝。大仲馬所謂的失言其實(shí)就是一不小心說(shuō)了實(shí)話，人不要講謊話，因?yàn)橹v一句謊話要用十句甚至更多的謊話來(lái)圓謊，但有時(shí)候，人不能凈說(shuō)實(shí)話，如果說(shuō)實(shí)話效果不好，你可以用模棱兩可的外交辭令代替！這個(gè)世界并不在乎你的自尊，只在乎你做出來(lái)的成績(jī)，然后再去強(qiáng)調(diào)你的感受。不尊重別人的自尊心，就好像一顆經(jīng)不住陽(yáng)光的寶石。諾貝爾偉人都是在逆境中鍛煉出來(lái)的，平靜的湖面不會(huì)練出出眾的水手?；钤诿εc閑的兩種境界里，才能夠俯仰自得，享受生活的樂(lè)趣，成就人生的意義。別