论生物技术现代生物技术在环境检测中运用

【摘要】随着科学技术的不断发展，环境检测技术也在向更精细、更准确、更灵敏的方向发展。同时，生物技术在环境检测领域中日趋重要的地位和作用，充分说明拓宽学科的研究领域，加强学科间的交流、渗透和合作，对于科学的整体发展和进步是至关重要的。文章分析了几种现代生物技术在环境检测中的应用，以及当代环境生物技术的发展趋势。
【关键词】生物技术；环境监测；应用
现代生物技术是指以DAN 技术为先导，包括微生物工程、细胞工程、酶工程、基因工程、蛋白质工程和生物修复技术在内的一系列生物高新技术的统称。现代生物技术与其他高新技术产业一样具有效益高、开发周期短的特点，现已经过了基础理论研究发展阶段，自70 年代末以来，已开始了大规模工程应用的实用阶段。现代生物技术不仅广泛应用于食品工业、高新技术农业、药品和发酵工业，而且在日益严重的环境污染的监测评价与防治等方面发挥着不可替代的作用。可以预言，在今后的一段时间内，现代生物技术将成为环境科学领域重点开发和应用的技术手段。环境科学是与许多学科密切相关的综合的交叉科学。随着现代生物技术的迅猛发展，以现代生物技术为代表的高新技术在环境科学中得到了越来越广泛的应用。

一、PCR技术

1、PCR技术的介绍：即聚合酶链式反应( Polymerase chain Reaction) 。是在体外合成特异性DNA 片段的方法，可以快速扩增目的基因DNA或RN段，是对基因克隆，分子杂交和序列分析等分子生物学方法的丰富和发展。1990 年Williams等在PCR技术基础上，改用了以多双引物，获得了多态性DNA 扩增片段并以此制做生物标记物，建立了RAPD方法，为基因组研究奠定了基础。
2、PCR技术具有以下特点：（1）操作简便。目前PCR技术采用耐高温TAQ DNA聚合酶，并且在有电脑控制的DNA扩增仪中进行，使操作大为简化，一次加入的酶即可满足反应全过程。（2）快速。一般常取用20～30个周期能使目的DNA达到数百万倍扩增的反应只要数小时即可完成。（3）灵敏度高。PCR方法可用单、双倍体细胞、一根头发、甚至单一精子进行DNA定型。（4）特异性强。TAQ DNA聚合酶耐高温的性质使反应中引物与模板退火的步骤可以在较高的温度下进行，结合的特异性大大增加，被扩增的目的片段也能保持很高的正确程度。

3、在环境监测中的应用

因PCR方法能快速、准确地检测外环境致病性细菌和有害生物，已逐渐取代了长期以来检测外环境（水样中的霍乱弧菌、空气中产气荚膜杆菌、海洋中已知病菌及有害生物如藻类等）所采用的传统的分离培养法，使得监测效率大大提高。用该技术检测水体中病原微生物比常用的细菌指标法更快速、灵敏，且水中绝大部分病原体都可以被扩增，所以，即使在浓度很小的情况下依然可以被检出；而用实时PCR监测水体中嗜肺军团杆菌的结果与传统标准方法一致，但它的检测灵敏性和重现性均比传统方法高，这种方法为确定流行病的污染源和评价水体污染程度提供了一种新的技术手段。近年来，依据PCR分析突变的相关技术在环境监测中也得到了广泛应用。如变性梯度凝胶电泳（PCR－DGGE）技术可用于分析土壤中分解蛋白酶的细菌群落，以确定无机和有机肥对植物根系附近及其周围土壤中蛋白酶活性的影响。

二、生物传感器

随着科技的发展，以及各学科的融合交叉，以DNA 重组技术为标志的现代生物技术正被利用到环境监测领域，构成了现代生物监测技术。在环境监测领域，现在广泛使用的生物监测技术主要是将生物反应转化为电信号的生物传感器。生物传感器是以固定化细胞核、固定化酶技术为基础，以生物学元件作为功能性识别元件，识别和感知目的被测物并将其按一定规律转化为可识别信号的器件或装置，其工作原理是：生物组分与待测对象发生相互作用，通过电子组分将待测对象检出并转化为可测量的电子信号。生物传感器在环境监测中起着越来越重要的作用。固定化生物层与目标污染物之间的专一性作用是设计生物传感器的理论基础，基于生物催化（酶、微生物等）和免疫原理的生物传感器已在环境领域中获得了广泛应用。然而利用核酸探针为敏感元件的传感器在环境监测中开发应用尚处于起步阶段。分子生物学与生物技术的进展为研究DNA生物传感器提供了可能。与酶和抗体不同，核酸识别层十分稳定，并且易于合成或再生以供重复使用。DNA 生物传感器为生物传感器家族中添加了新的成员，DNA 传感器的实现需要正确地选择核酸探针及其固定化和DNA识别信号的有效转换与检测。生物传感器技术是指用固定化生物体内功生物组成作为敏感元件的传感器。生物传感器以生物分子去识别被测目标，然后通过信号系统将生物分子所发生的物理或化学变化转化为相应的电信号予以输出放大，从而得到检测结果。生物传感器技术是建立在固定化细胞和固定化酶技术的基础之上的。

三、生物芯片

1、介绍：生物芯片是一种通过微加工技术和微电子技术将生物探针分子（寡聚核苷酸、CDNA、基因组DNA、多肽、抗原、抗体等）固定在硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质表面而构建的微型生物化学分析系统，可以对细胞、蛋白质、DNA 以及其他生物组分进行准确、快速和大信息量的检测。在环境监测和环境保护上，可以利用生物芯片快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害。在环境监测方面的应用主要有：水质控制、检测药物、食物添加剂或化学物质毒性以及环境中有害细菌的监测。利用生物芯片技术能够同时快速地检测多种环境中的常见致病菌。

2、特点与分类

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。
生物酶技术

1、生物酶抑制技术

生物酶抑制技术是利用环境污染物，如农药、重金属等在体外对特定酶具有抑制作用的原理，加人该酶催化的底物（显色剂），显色剂是否显色以及显色程度反应了酶是否受抑制以及抑制的程度，以此来判断检测环境污染物是否存在以及含量的多少。重金属对土壤酶（脉酶HZO：酶、转化酶）的活性有一定的影响，利用土壤酶对重金属的敏感性，以酶的各项指标作为重金属的污染指数是可行的。随着酶源的开发，新的酶源取材方便、制备容易廉价。基于酶抑制技术及其反应原理而发展起来的固定化酶快速检测技术、生物传感器快速检测技术、酶联免疫检测技术等也取得了飞速的发展固。其中酶固化技术不断提高，国际专利W 092/21779是一项采用固定化乙酞胆碱醋酶对农药残留快速测定的新技术，通过把酶固定在一种特殊的、不会和其活性部位发生反应

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的载体上面，不仅可以排除杂质对酶活性的影响，使灵敏度提高100倍以上，而且还增加了酶的稳定性。