吴 昊1 孟菊英2 初 丹2
（1.辽宁经济职业技术学院 生物系,辽宁 沈阳 110122；2.东北制药总厂 环保处,辽宁 沈阳 110026）
摘 要： 通过对微生物的不同种类、特性、常规监测技术及现代监测技术的介绍，总结微生物技术在环境污染监测中的应用，阐述生物监测手段的优越性。
关键词： 微生物技术;环境监测;现代监测技术
中图分类号：X835 文献标识码：A 文章编号：1672-5646（2007）03-00 71-02
微生物监测是利用微生物资源对环境污染或变化所发生的反应，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。微生物监测具有独特的优点。
一、常规监测技术中微生物的应用1.大肠菌群与环境监测
水体中的致病菌有可能引起各种传染病。因此，水质的细菌学检验对于保护人群健康具有重要意义。由于致病菌在水中存在的数量较少，直接监测比较困难，因此常选用间接指标即粪便污染的指示菌——大肠菌群作为代表 [1]。大肠菌群指需氧及兼厌氧性的革兰氏阴性无芽孢杆菌、大肠菌群的测定采用多管发酵法或滤膜法。
在水质监测中，我国以一升水中含有的大肠菌群数作为是否卫生的标准，称为大肠菌群指数。也可以使用“大肠菌群值”这一定义，即指水样中可检出一个大肠菌群细菌的最小水样容积（ml数），此值越大表示水中大肠菌群数越少，水质越好。大肠菌群值=1000/大肠菌群指数。我国生活饮用水中规定的水质标准为每升水中总大肠菌群指数不得超过3个，即大肠菌群值不得小于333。
2.发光细菌在环境监测中的应用
传统的生物监测以水蚤、藻类或鱼类等为受试对象，实验周期长，比较繁琐。针对传统检测方法的不足，研究和开发了新型生物毒性监测技术——发光细菌法。
发光菌 [2] 是一类能运动的革兰氏阴性兼性厌氧杆菌，含有荧光素、荧光酶、ATP等发光要素，在有氧条件下通过细胞内生化反应而产生微弱荧光。发光细菌在毒物作用下，细胞活性下降，导致发光强度的降低。发光细菌法是利用灵敏的光电测量系统测定毒物对发光细菌发光强度的影响，根据发光细菌发光强度的变化判断毒物毒性的大小。
来衡量，废水中各项污染指标已经达到排放标准，但按照发光细菌法得出的生物毒性综合评价结果废水毒性还很高，仍可对环境形成生物毒性危害，说明需要采用综合手段评价废水是否达标。随着技术的发展，发光细菌法将会和电子技术以及光电技术、生物传感器技术、细胞固定化技术以及计算机技术紧密结合，逐步发展为在线监测系统，为水质分析提
供更加快速有效的测试手段。
3.污染物致突变的微生物监测
随着工业的发展，人工合成的化学物质迅速增加，一些物质能直接损伤生物体的DNA而使基因和染色体发生改变，这类物质称为遗传毒物。为防止遗传毒物诱发新的突变而增加新的遗传病，人们采用了突变性监测技术，遗传毒性监测方法主要有Ames试验和彗星试验。
（1）Ames试验是监测具有遗传毒性的化合物对DNA碱基损伤的一种灵敏简便的方法 [3] 。它是利用一组鼠伤寒沙门氏菌突变型菌株，即一系列组氨酸营养缺陷型菌株(his－)，在加入或不加入哺乳动物肝微粒体酶活化的条件下，测定化学物质诱导其回复突变成野生型(his－)菌株的能力。当营养缺陷型细菌回复突变为野生型时，细菌从不能合成组氨酸到能合成组氨酸，从而能在不加组氨酸的选择性培养基上生长。根据在选择性培养基上生长的细菌菌落数目与对照组自发回复突变菌落数目相比较，来测定化学物质诱导微生物基因突变的能力。
Ames试验具有独特的优点。相比动物实验，AMes试验的周期要短得多，仅需数天便可有结果。灵敏度高，一些致突变物的检出剂量仅需几毫克、几微克。方法简便易行，不仅可以对单一的化学物进行监测，对多种化学物的混合作用的监测同样有效。接种量大，检出率高，与致癌物的相关性可达90%。缺点是微生物的DNA修复系统比哺乳动物简单，基因不如哺乳动物多，不能完全代表哺乳动物的实际情况。
（2）彗星试验与污染物致突变
彗星试验又称单细胞凝胶电泳实验，是在单细胞水平上监测DNA损伤和修复的方法。当真核细胞DNA受损产生链断裂时，DNA超螺旋结构受到破坏。在碱处理和碱性电泳液作用下DNA解螺旋，使DNA断链从超螺旋结构中释放出来，电泳时带负电荷的DNA向正极迁移形成“彗星”现象（在荧光显微镜下观察受损DNA形成的影像形似夜空中的彗星，故叫彗星试验）。通过测定DNA迁移部分的光密度或迁移长度可测定单个细胞DNA损伤程度，从而确立因素的作用剂量与DNA损伤效应的关系。
彗星试验用于环境中污染物致突变性监测具有独特优点。近年来彗星试验运用于环境监测已显示出良好的应用
- 71 -
辽宁经济职业技术学院学报 2007年第3期
前景。彗星试验在监测环境中低浓度的遗传毒物时比传统的体细胞致突变实验灵敏。由于它需要的器材简单，时间短(一天就能完成实验)，可以准确而快速地对大规模的人群进行监测。能对单个细胞DNA损伤进行研究。适用范围广，可监测各种类型组织细胞，特别是直接与环境遗传毒物接触的人体细胞(如口腔粘膜细胞、鼻粘膜细胞、食道粘膜细胞)。将彗星实验改良后将细胞浸泡于不同浓度的工业废水中监测其对DNA的损伤效应，可以直接监测污水遗传毒性。
4.水污染的藻类监测就是用水生藻类判定水体污染程度。水污染引起水体各种物理、化学条件的改变，这种改变直接影响水中的藻类。因此分析水生藻类的种类和数量组成，或研究它们的生理、生化反应和对毒物的积累特点，可以相当准确地估定水体的污染性质和程度。
与水质的物理和化学监测相比，藻类监测有独特的优势。化学监测只能检知各种成分的类别和含量，但不能确切说明它们对生物有机体的影响，而藻类及其他生物是接受综合性影响，所以藻类监测能反映水体污染综合作用的结果。化学监测得出的结果只能代表取样时的瞬间情况，不能反映取样前后的情况。生活于水中一定地段的藻类和其他生物，汇集了整个生活时期环境因素改变的情况。不但可以反映采样当时的污染状况，还可以反映各种污染物的综合影响和环境污染的历史状况，并可判断环境污染的发展趋势。
原生动物是动物界最原始、最低等的动物。它是一个能够独立生活的有机体。虽然原生动物的种类多，生态位较宽，但是每个种类在不同污染水体中的最适生长范围还是比较窄的，因此可以利用其作为水质污染的指示生物。原生动物在水质监测中的作用在以前的资料中已有阐述，请参阅 [4]。
二、现代监测技术
随着生命科学、环境、新材料等科学的发展，生物学、信息科学、计算机技术的引入，环境污染监测手段进入了一个新的发展阶段。应用生物传感器技术、生物芯片技术、PCR技术、生物酶技术、免疫技术等现代生物技术进行环境监测，具有良好的应用前景。
1.生物传感器是一种将生物敏感元件与物理化学信号转换器及电子信号处理器相结合的仪器 [5] 。用于制作生物传感器的微生物有酵母、假单孢菌、芽孢菌、发光菌、嗜热菌等。生物传感器的工作原理是生物敏感元件与待测物质之间的相互作用，主要有将化学变化转化为电信号、将热变化转化为电信号、将光效应转化为电信号等方式。
生物传感器在环境监测中得到了广泛应用。传统测定BOD的5d生化需氧量标准稀释测定法所需时间长、操作繁琐、结果准确度差。以微生物的单一菌种或混合菌种作为生物敏感元件，研制成BOD生物传感器，其工作原理为当水中加入,BOD物质或发生降解代谢时，引起微生物内外源呼
参考文献：
[1] 姚来银. 地表水粪大肠菌群监测工作实践和探讨[J]. 福建环境，2003，(6)：13～14.
[2] 方战强，陈中豪，胡勇有. 发光细菌法在水质监测中的应用[J]. 重庆环境科学，2003，（2）：56～58.
[3] 林朝晖. Ames试验在水质监测方面的应用[J]. 微生物学通报， 2001，(3)：66～70.
[4] 吴昊，张国徽. 复合式生物反应器处理混合废水研究[J]. 辽宁环保产业，2004，（7）:13～15.
[5] 李慧蓉. 生物监测技术及其研究进展[J]. 江苏石油化工学院学报，2002，(2)：57～60.
[6] 朱江，陆贻通. 现代生物技术在环境检测中的应用[J]. 上海环境科学，2003，(10)：717～721.
吸方式的变化或转化，耦联输出电流强弱的变化，在一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线性关系。实践证明 ，BOD传感器不仅能满足实际监测的精度要求，并且具有快速、灵敏的特点，因此生物传感器可对水质进行在线分析。
2. PCR技术与环境污染监测
PCR技术即聚合酶链式反应，是一种选择性体外扩增特异性DNA或RNA片段的方法 [6] 。应用PCR技术监测环境中的生物污染，主要包括以下几个步骤：模板核酸的提取；PCR扩增靶序列；PCR扩增产物的检测与分析。
PCR技术监测环境中的生物污染优势突出。灵敏度高，PCR检测水样中大肠杆菌的灵敏度是1CFU/100ml。PCR检测土壤中粪大肠菌群的灵敏度是1CFU/g。特异性强，只要选择合适的引物并合理控制反应条件，PCR的特异性即可达到较高的水平。利用PCR技术检测食品中易导致人类脑膜炎的单核细胞生利斯特氏菌，分析只需几个小时便可完成，大大缩短了分析周期(传统方法需10d)。
3.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，加入该酶催化的底物(显色剂)，显色剂是否显色以及显色程度反映了酶是否受抑制以及抑制的程度，以此来监测环境污染物是否存在以及含量的多少。
利用农药对乙酰胆碱酯酶的特异性抑制作用而发展的酶化学分析已广泛应用于痕量和微量有机磷及氨基甲酸酯类农药的残留监测。国内外开发了建立在显色反应基础上的酶片、酶标签等速测产品，酶片便携、易操作的优点使其成为较好的农药在线监测技术。
现代生物技术用于环境监测都存在一定的局限性。生物酶抑制技术要求开发廉价的酶源。PCR、芯片技术的应用需要建立大量的有关毒理基因信息库。分子生物学方法目前基本上还处于研究阶段。随着科学发展，便携、灵敏、快速、稳定的现代生物监测技术是将来的发展趋势。
- 72 -
吴 昊1 孟菊英2 初 丹2
（1.辽宁经济职业技术学院 生物系,辽宁 沈阳 110122；2.东北制药总厂 环保处,辽宁 沈阳 110026）
摘 要： 通过对微生物的不同种类、特性、常规监测技术及现代监测技术的介绍，总结微生物技术在环境污染监测中的应用，阐述生物监测手段的优越性。
关键词： 微生物技术;环境监测;现代监测技术
中图分类号：X835 文献标识码：A 文章编号：1672-5646（2007）03-00 71-02
微生物监测是利用微生物资源对环境污染或变化所发生的反应，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。微生物监测具有独特的优点。
一、常规监测技术中微生物的应用1.大肠菌群与环境监测
水体中的致病菌有可能引起各种传染病。因此，水质的细菌学检验对于保护人群健康具有重要意义。由于致病菌在水中存在的数量较少，直接监测比较困难，因此常选用间接指标即粪便污染的指示菌——大肠菌群作为代表 [1]。大肠菌群指需氧及兼厌氧性的革兰氏阴性无芽孢杆菌、大肠菌群的测定采用多管发酵法或滤膜法。
在水质监测中，我国以一升水中含有的大肠菌群数作为是否卫生的标准，称为大肠菌群指数。也可以使用“大肠菌群值”这一定义，即指水样中可检出一个大肠菌群细菌的最小水样容积（ml数），此值越大表示水中大肠菌群数越少，水质越好。大肠菌群值=1000/大肠菌群指数。我国生活饮用水中规定的水质标准为每升水中总大肠菌群指数不得超过3个，即大肠菌群值不得小于333。
2.发光细菌在环境监测中的应用
传统的生物监测以水蚤、藻类或鱼类等为受试对象，实验周期长，比较繁琐。针对传统检测方法的不足，研究和开发了新型生物毒性监测技术——发光细菌法。
发光菌 [2] 是一类能运动的革兰氏阴性兼性厌氧杆菌，含有荧光素、荧光酶、ATP等发光要素，在有氧条件下通过细胞内生化反应而产生微弱荧光。发光细菌在毒物作用下，细胞活性下降，导致发光强度的降低。发光细菌法是利用灵敏的光电测量系统测定毒物对发光细菌发光强度的影响，根据发光细菌发光强度的变化判断毒物毒性的大小。
来衡量，废水中各项污染指标已经达到排放标准，但按照发光细菌法得出的生物毒性综合评价结果废水毒性还很高，仍可对环境形成生物毒性危害，说明需要采用综合手段评价废水是否达标。随着技术的发展，发光细菌法将会和电子技术以及光电技术、生物传感器技术、细胞固定化技术以及计算机技术紧密结合，逐步发展为在线监测系统，为水质分析提
供更加快速有效的测试手段。
3.污染物致突变的微生物监测
随着工业的发展，人工合成的化学物质迅速增加，一些物质能直接损伤生物体的DNA而使基因和染色体发生改变，这类物质称为遗传毒物。为防止遗传毒物诱发新的突变而增加新的遗传病，人们采用了突变性监测技术，遗传毒性监测方法主要有Ames试验和彗星试验。
（1）Ames试验是监测具有遗传毒性的化合物对DNA碱基损伤的一种灵敏简便的方法 [3] 。它是利用一组鼠伤寒沙门氏菌突变型菌株，即一系列组氨酸营养缺陷型菌株(his－)，在加入或不加入哺乳动物肝微粒体酶活化的条件下，测定化学物质诱导其回复突变成野生型(his－)菌株的能力。当营养缺陷型细菌回复突变为野生型时，细菌从不能合成组氨酸到能合成组氨酸，从而能在不加组氨酸的选择性培养基上生长。根据在选择性培养基上生长的细菌菌落数目与对照组自发回复突变菌落数目相比较，来测定化学物质诱导微生物基因突变的能力。
Ames试验具有独特的优点。相比动物实验，AMes试验的周期要短得多，仅需数天便可有结果。灵敏度高，一些致突变物的检出剂量仅需几毫克、几微克。方法简便易行，不仅可以对单一的化学物进行监测，对多种化学物的混合作用的监测同样有效。接种量大，检出率高，与致癌物的相关性可达90%。缺点是微生物的DNA修复系统比哺乳动物简单，基因不如哺乳动物多，不能完全代表哺乳动物的实际情况。
（2）彗星试验与污染物致突变
彗星试验又称单细胞凝胶电泳实验，是在单细胞水平上监测DNA损伤和修复的方法。当真核细胞DNA受损产生链断裂时，DNA超螺旋结构受到破坏。在碱处理和碱性电泳液作用下DNA解螺旋，使DNA断链从超螺旋结构中释放出来，电泳时带负电荷的DNA向正极迁移形成“彗星”现象（在荧光显微镜下观察受损DNA形成的影像形似夜空中的彗星，故叫彗星试验）。通过测定DNA迁移部分的光密度或迁移长度可测定单个细胞DNA损伤程度，从而确立因素的作用剂量与DNA损伤效应的关系。
彗星试验用于环境中污染物致突变性监测具有独特优点。近年来彗星试验运用于环境监测已显示出良好的应用
- 71 -
辽宁经济职业技术学院学报 2007年第3期
前景。彗星试验在监测环境中低浓度的遗传毒物时比传统的体细胞致突变实验灵敏。由于它需要的器材简单，时间短(一天就能完成实验)，可以准确而快速地对大规模的人群进行监测。能对单个细胞DNA损伤进行研究。适用范围广，可监测各种类型组织细胞，特别是直接与环境遗传毒物接触的人体细胞(如口腔粘膜细胞、鼻粘膜细胞、食道粘膜细胞)。将彗星实验改良后将细胞浸泡于不同浓度的工业废水中监测其对DNA的损伤效应，可以直接监测污水遗传毒性。
4.水污染的藻类监测就是用水生藻类判定水体污染程度。水污染引起水体各种物理、化学条件的改变，这种改变直接影响水中的藻类。因此分析水生藻类的种类和数量组成，或研究它们的生理、生化反应和对毒物的积累特点，可以相当准确地估定水体的污染性质和程度。
与水质的物理和化学监测相比，藻类监测有独特的优势。化学监测只能检知各种成分的类别和含量，但不能确切说明它们对生物有机体的影响，而藻类及其他生物是接受综合性影响，所以藻类监测能反映水体污染综合作用的结果。化学监测得出的结果只能代表取样时的瞬间情况，不能反映取样前后的情况。生活于水中一定地段的藻类和其他生物，汇集了整个生活时期环境因素改变的情况。不但可以反映采样当时的污染状况，还可以反映各种污染物的综合影响和环境污染的历史状况，并可判断环境污染的发展趋势。
原生动物是动物界最原始、最低等的动物。它是一个能够独立生活的有机体。虽然原生动物的种类多，生态位较宽，但是每个种类在不同污染水体中的最适生长范围还是比较窄的，因此可以利用其作为水质污染的指示生物。原生动物在水质监测中的作用在以前的资料中已有阐述，请参阅 [4]。
二、现代监测技术
随着生命科学、环境、新材料等科学的发展，生物学、信息科学、计算机技术的引入，环境污染监测手段进入了一个新的发展阶段。应用生物传感器技术、生物芯片技术、PCR技术、生物酶技术、免疫技术等现代生物技术进行环境监测，具有良好的应用前景。
1.生物传感器是一种将生物敏感元件与物理化学信号转换器及电子信号处理器相结合的仪器 [5] 。用于制作生物传感器的微生物有酵母、假单孢菌、芽孢菌、发光菌、嗜热菌等。生物传感器的工作原理是生物敏感元件与待测物质之间的相互作用，主要有将化学变化转化为电信号、将热变化转化为电信号、将光效应转化为电信号等方式。
生物传感器在环境监测中得到了广泛应用。传统测定BOD的5d生化需氧量标准稀释测定法所需时间长、操作繁琐、结果准确度差。以微生物的单一菌种或混合菌种作为生物敏感元件，研制成BOD生物传感器，其工作原理为当水中加入,BOD物质或发生降解代谢时，引起微生物内外源呼
参考文献：
[1] 姚来银. 地表水粪大肠菌群监测工作实践和探讨[J]. 福建环境，2003，(6)：13～14.
[2] 方战强，陈中豪，胡勇有. 发光细菌法在水质监测中的应用[J]. 重庆环境科学，2003，（2）：56～58.
[3] 林朝晖. Ames试验在水质监测方面的应用[J]. 微生物学通报， 2001，(3)：66～70.
[4] 吴昊，张国徽. 复合式生物反应器处理混合废水研究[J]. 辽宁环保产业，2004，（7）:13～15.
[5] 李慧蓉. 生物监测技术及其研究进展[J]. 江苏石油化工学院学报，2002，(2)：57～60.
[6] 朱江，陆贻通. 现代生物技术在环境检测中的应用[J]. 上海环境科学，2003，(10)：717～721.
吸方式的变化或转化，耦联输出电流强弱的变化，在一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线性关系。实践证明 ，BOD传感器不仅能满足实际监测的精度要求，并且具有快速、灵敏的特点，因此生物传感器可对水质进行在线分析。
2. PCR技术与环境污染监测
PCR技术即聚合酶链式反应，是一种选择性体外扩增特异性DNA或RNA片段的方法 [6] 。应用PCR技术监测环境中的生物污染，主要包括以下几个步骤：模板核酸的提取；PCR扩增靶序列；PCR扩增产物的检测与分析。
PCR技术监测环境中的生物污染优势突出。灵敏度高，PCR检测水样中大肠杆菌的灵敏度是1CFU/100ml。PCR检测土壤中粪大肠菌群的灵敏度是1CFU/g。特异性强，只要选择合适的引物并合理控制反应条件，PCR的特异性即可达到较高的水平。利用PCR技术检测食品中易导致人类脑膜炎的单核细胞生利斯特氏菌，分析只需几个小时便可完成，大大缩短了分析周期(传统方法需10d)。
3.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，加入该酶催化的底物(显色剂)，显色剂是否显色以及显色程度反映了酶是否受抑制以及抑制的程度，以此来监测环境污染物是否存在以及含量的多少。
利用农药对乙酰胆碱酯酶的特异性抑制作用而发展的酶化学分析已广泛应用于痕量和微量有机磷及氨基甲酸酯类农药的残留监测。国内外开发了建立在显色反应基础上的酶片、酶标签等速测产品，酶片便携、易操作的优点使其成为较好的农药在线监测技术。
现代生物技术用于环境监测都存在一定的局限性。生物酶抑制技术要求开发廉价的酶源。PCR、芯片技术的应用需要建立大量的有关毒理基因信息库。分子生物学方法目前基本上还处于研究阶段。随着科学发展，便携、灵敏、快速、稳定的现代生物监测技术是将来的发展趋势。
- 72 -