微生物生物传感器学习教案.pptx

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1、会计学1微生物微生物(shngw)生物生物(shngw)传感器传感器第一页，共15页。传统的化学分析方法虽能准确定量分析污染物中主要成传统的化学分析方法虽能准确定量分析污染物中主要成分的含量，但不能直接反映各种有毒物质对环境和生物分的含量，但不能直接反映各种有毒物质对环境和生物的综合影响。的综合影响。传统的生物毒性监测以水蚤、藻类或鱼类等为受试对象传统的生物毒性监测以水蚤、藻类或鱼类等为受试对象，虽然，虽然(surn)(surn)能反映毒物对生物的直接影响，但是这些能反映毒物对生物的直接影响，但是这些方法的最大缺点是实验周期长，操作复杂，不能及时反方法的最大缺点是实验周期长，操作复杂，不能及时

2、反映水质情况。映水质情况。第1页/共15页第二页，共15页。近年来，随着微生物固定化技术的发展，微生物传感器的近年来，随着微生物固定化技术的发展，微生物传感器的研究和应用取得很大进展。开发研究和应用取得很大进展。开发(kif)(kif)了使用固定化微生了使用固定化微生物的各种传感器，如发光型微生物传感器、硝化细菌传感物的各种传感器，如发光型微生物传感器、硝化细菌传感器、全细胞微生物传感器等用于水质分析。这些传感器以器、全细胞微生物传感器等用于水质分析。这些传感器以很高的灵敏度对各种污染物的浓度进行监测，而且具有简很高的灵敏度对各种污染物的浓度进行监测，而且具有简便、快速、灵敏、经济等优点，在环

3、境监测中应用前景十便、快速、灵敏、经济等优点，在环境监测中应用前景十分广阔。分广阔。第2页/共15页第三页，共15页。一、微生物传感器工作一、微生物传感器工作一、微生物传感器工作一、微生物传感器工作(gngzu)(gngzu)原理原理原理原理 微生物在利用物质进行呼吸或代谢的过程中，将消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活微生物在利用物质进行呼吸或代谢的过程中，将消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质。在微生物的数量和活性保持不变的情况下，其所消耗的溶解氧量或所产生的性物质。在微生物的数量和活性保持不变的情况下，其所消耗的溶解氧量或所产生的电活性物质的量反映电活性物质的量反映(fnyng)(fnyn

4、g)了被检测物质的量，再借助气体敏感膜电极了被检测物质的量，再借助气体敏感膜电极(如溶解氧如溶解氧电极、氨电极、二氧化碳电极、硫化氢电极电极、氨电极、二氧化碳电极、硫化氢电极)或离子选择电极或离子选择电极(如如pHpH玻璃电极玻璃电极)以及微以及微生物燃料电池检测溶解氧和电活性物质的变化，就可求得待测物质的量，这是微生物生物燃料电池检测溶解氧和电活性物质的变化，就可求得待测物质的量，这是微生物传感器的一般原理。传感器的一般原理。第3页/共15页第四页，共15页。微生物传感器主要由两部分微生物传感器主要由两部分(b fen)(b fen)组成：组成：第一部分第一部分(b(b fen)fen)是微

5、生物膜，此膜是由微生物与基质是微生物膜，此膜是由微生物与基质(如醋酸纤维素等如醋酸纤维素等)以一定的方式固化形成；以一定的方式固化形成；第二部分第二部分(b(b fen)fen)是信号转换器是信号转换器(如如O2O2电极、气敏电极或离子选择电极等电极、气敏电极或离子选择电极等)。将这两部分将这两部分(b fen)(b fen)耦合便可构成微生物传感器。耦合便可构成微生物传感器。第4页/共15页第五页，共15页。二、微生物传感器的分类二、微生物传感器的分类二、微生物传感器的分类二、微生物传感器的分类(fn(fn li)li)与生物毒性检测与生物毒性检测与生物毒性检测与生物毒性检测1.1.发光微生

6、物传感器发光微生物传感器2.2.硝化细菌传感器硝化细菌传感器3.3.埃希氏茵属和假单胞茵属传感器埃希氏茵属和假单胞茵属传感器4.4.藻类与蓝细菌传感器藻类与蓝细菌传感器5.5.全细胞全细胞(xbo)(xbo)生物传感器生物传感器第5页/共15页第六页，共15页。1.1.发光发光发光发光(f un)(f un)微生物微生物微生物微生物(luminous microbes)(luminous microbes)传感器传感器传感器传感器 发光微生物指自然界存在、细胞内具有生物发光代谢系统的发光微生物指自然界存在、细胞内具有生物发光代谢系统的原核和真核微生物，近来还包括导入发光基因而使原本不发原核和真

7、核微生物，近来还包括导入发光基因而使原本不发光的微生物具备发光特性的基因工程发光微生物。光的微生物具备发光特性的基因工程发光微生物。发光微生物毒性测试中应用最多的是明亮发光杆菌，可以检发光微生物毒性测试中应用最多的是明亮发光杆菌，可以检测各种水体测各种水体(shu(shu t)t)中的有毒物质，对于气体中可溶性有毒物质，可通过把它中的有毒物质，对于气体中可溶性有毒物质，可通过把它吸收、溶解在溶液中，然后观察其对发光细菌的影响。吸收、溶解在溶液中，然后观察其对发光细菌的影响。第6页/共15页第七页，共15页。FMNH2+RCHO+O2 FMNH2+RCHO+O2 荧光荧光(ynggung)(yn

8、ggung)+FMN+H2O+RCOOH+FMN+H2O+RCOOH 细菌(xjn)荧光酶 正常生理状况下，在氧气与细菌荧光素酶的参与下，细胞可发出波长为420670nm的可见光。如果有有毒物质存在，会抑制酶的活性，使发光量降低，其减弱的程度与毒物的毒性大小和浓度成负相关，因而可以(ky)根据发光菌发光强度判断毒物毒性大小，用发光强度表征毒物所在环境的急性毒性。第7页/共15页第八页，共15页。以明亮发光杆菌为生物识别元件，以硅光电二极管作为细胞光信号和电信号以明亮发光杆菌为生物识别元件，以硅光电二极管作为细胞光信号和电信号以明亮发光杆菌为生物识别元件，以硅光电二极管作为细胞光信号和电信号以明

9、亮发光杆菌为生物识别元件，以硅光电二极管作为细胞光信号和电信号转换的敏感元件，构建了细菌发光传感器，分别对苯酚、乐果、乙醛、转换的敏感元件，构建了细菌发光传感器，分别对苯酚、乐果、乙醛、转换的敏感元件，构建了细菌发光传感器，分别对苯酚、乐果、乙醛、转换的敏感元件，构建了细菌发光传感器，分别对苯酚、乐果、乙醛、Hg+Hg+、Cu2+Cu2+、Zn2+Zn2+等污染物急性毒性进行快速检测研究，同时和哺乳动物毒性实等污染物急性毒性进行快速检测研究，同时和哺乳动物毒性实等污染物急性毒性进行快速检测研究，同时和哺乳动物毒性实等污染物急性毒性进行快速检测研究，同时和哺乳动物毒性实验结果做对比。毒性测试结果

10、表明，在验结果做对比。毒性测试结果表明，在验结果做对比。毒性测试结果表明，在验结果做对比。毒性测试结果表明，在pH=7.0pH=7.0，温度，温度，温度，温度2020，3.03.0NaCINaCI底液底液底液底液条件下，固定化菌膜发光强度达条件下，固定化菌膜发光强度达条件下，固定化菌膜发光强度达条件下，固定化菌膜发光强度达24nw24nw，稳定发光时间，稳定发光时间，稳定发光时间，稳定发光时间606080min80min，毒性测，毒性测，毒性测，毒性测试结果的试结果的试结果的试结果的EC50EC50值与哺乳动物毒性试验值与哺乳动物毒性试验值与哺乳动物毒性试验值与哺乳动物毒性试验(shyn)(s

11、hyn)的的的的LD50LD50具有良好的相关性，具有良好的相关性，具有良好的相关性，具有良好的相关性，相关系数相关系数相关系数相关系数r=0.95r=0.95。采用光纤探头结构、以明亮发光杆菌作为指示物制作了光纤式发光菌传感器，以Zn2+为测试对象，实验结果表明，Zn2+的EC50大约为5.06mg/L，检测范围为10ppb200ppm，与采用国标推荐(tujin)的方法测得的结果有很好的一致性。第8页/共15页第九页，共15页。1.1.2.2.硝化细菌硝化细菌硝化细菌硝化细菌(nitrifying bacteria)(nitrifying bacteria)传感器传感器传感器传感器 硝化细

12、菌是一群化能自养型细菌，从氧化硝化细菌是一群化能自养型细菌，从氧化NH3NH3及及HNO2HNO2中中取得取得(qd)(qd)能量，以能量，以CO2CO2为碳源进行生活。为碳源进行生活。硝化细菌对毒物非常敏感，因此以固定化硝化细菌做指示硝化细菌对毒物非常敏感，因此以固定化硝化细菌做指示物、以氧电极物、以氧电极(也可采用氨电极也可采用氨电极)作为换能器构建的硝化细作为换能器构建的硝化细菌传感器可用于氨、亚硝酸盐、尿素等物质的测定。菌传感器可用于氨、亚硝酸盐、尿素等物质的测定。第9页/共15页第十页，共15页。KobosKobos研究了测定硝酸盐的细菌膜电极，硝酸根在细菌细胞研究了测定硝酸盐的细菌

13、膜电极，硝酸根在细菌细胞的硝酸盐还原酶和亚酸盐还原酶的作用下发生如下反应：的硝酸盐还原酶和亚酸盐还原酶的作用下发生如下反应：用一个氨敏电极可以检测用一个氨敏电极可以检测(jin(jin c)c)产生的氨，把含有所需酶的固氮菌株耦合到一个氨敏电产生的氨，把含有所需酶的固氮菌株耦合到一个氨敏电极中，从而得到对硝酸盐敏感的细菌式传感器。这种细菌式极中，从而得到对硝酸盐敏感的细菌式传感器。这种细菌式电极，以气敏电极为基础，相对地不受离子的干扰。电极，以气敏电极为基础，相对地不受离子的干扰。第10页/共15页第十一页，共15页。3.3.埃希氏菌属埃希氏菌属埃希氏菌属埃希氏菌属(E.coli)(E.col

14、i)和假单胞菌属和假单胞菌属和假单胞菌属和假单胞菌属(Pseudomonas)(Pseudomonas)传传传传感器感器感器感器 均为化能异养型、革兰氏阴性无芽孢杆菌。均为化能异养型、革兰氏阴性无芽孢杆菌。埃希氏菌属仅包括大肠杆菌一个种，该菌具有对有机底物的广谱食性，耐渗透压能埃希氏菌属仅包括大肠杆菌一个种，该菌具有对有机底物的广谱食性，耐渗透压能力强，能长久保持酶的活力等优点，是人们研究最为彻底的微生物，常用作遗力强，能长久保持酶的活力等优点，是人们研究最为彻底的微生物，常用作遗传工程宿主菌株。传工程宿主菌株。假单胞菌属由于生物体多样化，而且在污染物降解中起着重要的作用，适合构建各假单胞菌属

15、由于生物体多样化，而且在污染物降解中起着重要的作用，适合构建各种生物传感器。种生物传感器。目前目前(mqin)(mqin)，许多研究将大肠杆菌和假单胞菌的代谢过程作为检测指标，以，许多研究将大肠杆菌和假单胞菌的代谢过程作为检测指标，以氧电极测定基质溶解氧的消耗、以氧电极测定基质溶解氧的消耗、以CO2CO2电极检测呼吸作用电极检测呼吸作用CO2CO2的产生或添加氧的产生或添加氧化还原介质化还原介质(mediator)(mediator)，如苯醌类、铁氰化钾，测定细胞转化介质过程中电极，如苯醌类、铁氰化钾，测定细胞转化介质过程中电极产生的电流变化。产生的电流变化。第11页/共15页第十二页，共15

16、页。4.4.藻类藻类藻类藻类(algae)(algae)与蓝细菌与蓝细菌与蓝细菌与蓝细菌(cyanobacteria)(cyanobacteria)传感器传感器传感器传感器 藻类容易培养，结构简单，是最常见的构建生物传感器的生物元件之一。它的工藻类容易培养，结构简单，是最常见的构建生物传感器的生物元件之一。它的工作原理是：通过产氧型光合作用，叶绿素吸收光量子转变为激发态，回到基态时作原理是：通过产氧型光合作用，叶绿素吸收光量子转变为激发态，回到基态时产生荧光；此类光合作用与绿色植物一致，而除草剂等毒物可阻断光合作用的电产生荧光；此类光合作用与绿色植物一致，而除草剂等毒物可阻断光合作用的电子传递

17、链而产生抑制乃至致死效应。用藻构建的生物传感器主要是通过氧气释放、子传递链而产生抑制乃至致死效应。用藻构建的生物传感器主要是通过氧气释放、pHpH值，电子传递链及叶绿体的变化值，电子传递链及叶绿体的变化(binhu)(binhu)给出污染物影响信号的。给出污染物影响信号的。蓝细菌传感器，其工作原理与藻类很类似，都是可进行产氧型光合作用，有研究蓝细菌传感器，其工作原理与藻类很类似，都是可进行产氧型光合作用，有研究者利用聚球蓝细菌细胞作为生物基质构建的生物传感器可以用于检测水体中的除者利用聚球蓝细菌细胞作为生物基质构建的生物传感器可以用于检测水体中的除草剂，通过检测细胞中光合成电子传输系统，当有污

18、染物存在时，会对传输系统草剂，通过检测细胞中光合成电子传输系统，当有污染物存在时，会对传输系统产生干扰。该方法非常简单方便，可迅速提供污染信息，适于在线监测。产生干扰。该方法非常简单方便，可迅速提供污染信息，适于在线监测。第12页/共15页第十三页，共15页。5.5.全细胞全细胞全细胞全细胞(xbo)(xbo)生物传感器生物传感器生物传感器生物传感器 微生物全细胞传感器，利用完整的微生物活细胞作为实体通过修微生物全细胞传感器，利用完整的微生物活细胞作为实体通过修饰饰(xish)(xish)微生物遗传物质，引入报告基因系统使同一细胞具备微生物遗传物质，引入报告基因系统使同一细胞具备敏感多种污染物

19、的功能的装置。商业上可行的、最早的全细胞生敏感多种污染物的功能的装置。商业上可行的、最早的全细胞生物传感器是用于监控废水和污水处理厂中的可被生物降解的有机物传感器是用于监控废水和污水处理厂中的可被生物降解的有机化合物。目前，开发微生物传感器的复合应用功能正是科研工作化合物。目前，开发微生物传感器的复合应用功能正是科研工作者研究的热点与重点，并已取得一系列进展。者研究的热点与重点，并已取得一系列进展。由于其高度特异性，全细胞生物传感器可望用作一种报警传感器由于其高度特异性，全细胞生物传感器可望用作一种报警传感器以监控水体中的污染物。以监控水体中的污染物。第13页/共15页第十四页，共15页。三、

20、展望三、展望三、展望三、展望(zhnwng)(zhnwng)生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难，测定生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难，测定对象中的毒害因素如重金属和有毒有机物是影响对象中的毒害因素如重金属和有毒有机物是影响微生物传感器稳定响应和寿命的关键因素，也是微生物传感器稳定响应和寿命的关键因素，也是微生物传感器市场化的主要控制因素。因此，微生物传感器市场化的主要控制因素。因此，研究开发新的固定化技术，利用微生物育种、基研究开发新的固定化技术，利用微生物育种、基因工程和细胞融合技术研制因工程和细胞融合技术研制(ynzh)(ynzh)新型、高效新型、高效耐毒性的微生物传感器，提高检测器使用寿命，耐毒性的微生物传感器，提高检测器使用寿命，信号转换使用寿命，生物响应稳定性和微型化便信号转换使用寿命，生物响应稳定性和微型化便携式将会是今后科研工作者的研究重心。携式将会是今后科研工作者的研究重心。第14页/共15页第十五页，共15页。