试论发光细菌在环境污染监测中的应用

梁欣竹，谢 杰

（南充市南部生态环境监测站,四川 南充 637300）

在社会经济和工业事业不断发展的背景下，水污染、大气污染等问题持续涌现出来，对自然生态环境造成极大的影响，并且不利于人与自然和谐发展，环境污染监测工作也引发社会各界广泛关注。以往开展环境污染监测工作，多数情况下会对理化分析和生物监测技术方法加以运用，前者在废水指标监测中应用，虽然能够得到准确的常规指标数据，但是无法反映水质综合毒性的大小，后者运用主要以鱼类、藻类为受试对象，尽管可以科学判断毒物对生物造成的直接影响，但是具体操作十分繁琐，并且需要投入大量的时间精力，将发光细菌法运用到其中以后，这些问题就能够迎刃而解，并且实际操作较为简便，检测结果也能一目了然[1]。本文联系发光细菌基本概述，对发光细菌的分类、发光原理和测定方法进行细致分析，并尝试从工业废水毒性测定、特定水域毒性测定、有机化合物毒性测定、农药残留测定等方面入手，详尽探讨发光细菌在环境污染监测中的实践应用，同时对发光细菌未来应用发展进行展望，使之在环境监测领域发挥更大的作用。

1 发光细菌基本情况分析

1.1 发光细菌的分类

发光细菌作为可以在正常生理条件下，发射可见荧光的一类细菌，其荧光波长可以达到490 nm，在黑暗环境下能够清晰地看见。目前发光细菌种类主要有：（1）异短杆菌属，比如发光异短杆菌；（2）发光杆菌属，主要有明亮发光杆菌和鳆发光杆菌；（3）希瓦氏菌属，比如羽田希瓦氏菌；（4）弧菌属，包含哈维式弧菌、美丽弧菌生物型Ⅰ、地中海弧菌等，另外中国学者分离到一株淡水发光细菌被命名为青海弧菌，并且与异短杆菌都属于淡水发光细菌范畴，由于异短杆菌具有致病性，因此青海弧菌成为唯一的一种非致病淡水型发光细菌，同时也是难得的水质监测好材料[2]。

1.2 青海弧菌的特性

青海弧菌是我国学者从青海湖的裸鲤体表分离得到的一种发光细菌，并且经过表型特性测定、发光光谱测定、弧菌抑制试验等以后，确定该发光菌为一新种，根据采集地点将其命名为青海弧菌。作为一种非致病的淡水型发光细菌，它能够持续稳定的发射蓝绿光，最大发射波长为485 nm，在遇到有毒有害物质以后，会很快被抑制发光，并且发光抑制程度与所受有毒有害物质的毒性及浓度存在一定对应关系，再加上青海弧菌还有一般海洋发光细菌的可应用特性，因此被广泛应用于环境监测、水质土壤沉积物毒性测定的工作中，并能够取得较好应用效果。

1.3 发光原理分析

生物发光是一种酶催化的化学反应，并且与其他的荧光和磷光有显著的区别，它的发光不依赖于原始光子的吸收。由于细菌发光最为主要的两种物质是黄素单核苷酸和长链脂肪醛，细菌荧光酶不仅可以催化还原型的黄素单核苷酸和长链脂肪醛，还能在氧气参与情况下发生氧化反应并释放出光子，由于在一定条件下发光细菌的发光强度是恒定不变的，当其与无机、有机毒物等受试物相接触以后，细菌的新陈代谢就会受到影响，并且有毒物浓度的大小与发光细菌的发光强度变化呈现出一定比例关系，可以使用相关仪器监测出来，最终得到受试物毒性的大小[3]。

1.4 测定方法

常见的发光细菌测定方法有：（1）新鲜发光细菌培养测定法，将发光细菌接种到液体发光培养基中，并做好温度控制工作，促进其进入到对数生长期，然后配置含有3%氯化钠盐度的菌悬液，促使其与菌种进行充分接触，时间要控制在15 min以内，当达到发生作用设定时间以后，就可以对对照管和样品管的发光强度进行观察、读取和记录，这一方法运用较为简便，并且能够保证最终检测结果质量；（2）发光细菌和藻类混合测定法，考虑到一些有毒有害物质对发光细菌不能产生直接的毒害作用，不过这些有毒有害物质能够对藻类产生毒害作用，这时候开展毒性测定工作，就可以充分利用有毒有害物质的这一特性，将培养好的发光菌悬液和藻类悬液混合以后，一起加入测试管中，使之与试液充分混合，在经过一段时间的光照以后，再对发光菌的光强度变化进行有效测定，同时由于有毒有害物质对藻类产生的毒害作用，会对藻类的光合作用产生一定干扰，使之放氧能力不断降低，这时候发光细菌也会因为缺氧而出现发光能力下降情况，这时候也就能够根据光合作用放氧多少导致发光强度出现变化，对有毒物质的毒性大小进行合理推算；（3）发光细菌冷冻干燥制剂测定法，将培养到对数生长期的发光细菌，运用特殊方法制作成为干燥粉剂，并在冰箱中制成冻干粉剂，在使用时就可以加入2%的氯化钠溶液使其复苏，然后运用到有毒物质毒性测定当中，这种方法运用最为主要的特点就是每次使用发光细菌都具有相同的生理状态，并且灵敏性一致、操作简便、节省时间等优势较为明显[4]。

2 发光细菌在环境污染监测中的应用

2.1 工业废水毒性测定

随着工业事业不断发展，各类工业企业开展生产活动所产生的废水，也是造成水体污染的重要因素之一，并且在受纳水体污染物达到一定浓度以后，就会引发生物中毒反应，并出现生理功能紊乱、组织细胞病变、行为发生异常等状况，这时候运用发光细菌可以对废水的综合毒性进行有效测定。实际操作中，可以采用发光细菌方法和鱼类、蚤类测定方法，得到工业废水急性毒性的试验结果，并提出有毒/无毒、百分数等级和对数等级三个毒性比较方法标准，其中百分数等级划分标准在国内运用更多，详见表1，相关人员采用百分数等级标准，对造纸工业产生的废水毒性进行测定，发现制浆废水对发光细菌存在较强的抑制作用，测定毒性等级为Ⅱ级，侧面也提示造纸工业废水毒性监测，使用发光细菌方法切实可行，甚至还可以对其实施连续性的监测。与此同时，运用发光细菌对合成燃料过程排出的废水生物毒性进行监测，也能取得较好的效果。由于从煤、焦油砂沉积物等中，对燃料进行回收的过程会产生大量的生物毒性废水，并且这类废水中含有多种有机、无机污染物，对每种有毒化合物进行单独分析不够现实，并且受到污染物之间加和和拮抗作用影响，导致各污染物毒性之和并不能够代表这类废水的综合毒性，这时候采用发光细菌对综合毒性进行测定就显得更为优越，执行时还可以将发光细菌与化学分析技术相结合起来，可以实现工业废水毒性有效测定与分析，并为工业废水毒性物质的快速鉴别和有效去除奠定良好基础[5]。

表1 发光细菌试验百分数法等级划分

2.2 特定水域毒性测定

当水体环境遭受严重污染以后，势必也会对水域生态平衡造成极大的影响，而水体环境遭受污染以后，水体存在污染物种类也十分复杂，并且运用单一理化指标对这些污染物的浓度进行检测表示难度较大，但是在对这些污染物进行生物毒性试验之后，就可以得到水体污染负荷与生物学效应之间呈现的具体关系，并在此基础上实现对水体污染现状及污染物毒性的综合评价。具体操作中，可以采用发光细菌，对特定水域渔业污染物的毒性进行监测和测定，实际执行要对温度、pH值进行严格控制，避免因为这些因素对最终试验结果带来不利影响。最终试验表明，在温度和pH值适宜条件下，运用发光细菌开展急性毒性监测工作，可以明确渔业事故发生的主要原因[6]。同时，还可以采用发光细菌对区域污水毒性进行科学评价，操作中要将之与生物毒性研究方法相结合起来，并对工业污水排水系统进行急性毒性监测分析，所得结果显示工业排放废水生物毒性比较高，并且会对受纳河流生物生存质量和微生物群落形成造成极大的影响，这一监测结果也能够为污染针对性防治与处理提供有力的支持。

2.3 有机化合物毒性测定

借助QSAR模型，对苯酚类化合物对发光菌的联合毒性进行预测分析，并采用相加指数法对联合毒性进行科学评价，发现苯酚能够对发光细菌产生联合作用，实际运用就可以利用构建的QSAR方程，对混合物取代苯酚的毒性进行测定和分析。同时，还可以借助比较分子场分析方法，对不同种苯砜基乙酸酯类化合物的发光菌急性毒性进行深入研究，所得到的3D-QSAR模型，分析也表明这类化合物发光菌急性毒性效应与化合物分子空间场、静电场存在十分紧密的关系，甚至还能从苯酚衍生物对发光细菌毒性定量构效关系角度着手，对不同种类苯酚衍生物对发光细菌的毒性进行有效测定，具体操作还能对疏水性和电性参数加以运用，并完成定量构效关系研究分析作业，待完成两类化合物对发光细菌的毒性机制研究活动以后，得到的结果也能为苯酚衍生物环境危险性评价和制定科学合理的防控方案提供强有力的支持[7]。另外，对苯酚与苯胺衍生物对发光菌的联合毒性进行测定，除了可以对剂量加和模型进行运用以外，还可以将之与单一毒物剂量和效应参数相互联系起来，实现对混合物毒性的联合预测，结果表明在实验浓度范围内，各种混合物毒性都能够采用剂量加和模型进行精确预测。

2.4 农药残留测定

在开展农业生产活动时，为减少病虫害发生和促进农作物更好生长，许多农户都会对农药进行使用，特别是有机磷农药，实际运用具有品种多、药效好、防治对象多等优势特点，在农业生产中长期使用，也会对周围生态环境造成极大的影响，并且有机磷农药多数品种都属于高毒性，人们在食用带有农药残留的农作物时，也容易出现慢性、急性中毒状况，对人们生命健康构成严重的威胁，而采用发光细菌对氧化乐果、辛硫磷、甲胺磷等有机磷农药进行检测，并通过发光细菌对有机磷农药的响应情况，科学准确判定毒性浓度[8]。与此同时，还可以采用发光细菌方法对Zn、Cu、Hg等重金属物质的联合毒性作用进行研究，操作中可以将毒性加强指数方式融入其中，发现两种金属发生作用时，Cu与Zn主要为相加作用，而Zn与Cd主要为拮抗作用，Cd和Hg、Cu和Hg均为协同作用，而当三种或四种金属同时发挥作用时，联合作用趋向于相加作用。除此之外，还可以通过发光细菌毒性测试技术，对汽油、乙醇汽油、甲醇汽油的毒性进行实验研究，发现毒性强度依次排列为汽油、乙醇汽油和甲醇汽油，操作中还可以对单纯的添加剂、甲醇、乙醇毒性等进行分别检测，也初步判定了乙醇汽油毒性主要由汽油毒性引起。

3 发光细菌在环境污染监测中的应用展望

相较于其他生物监测方法，发光细菌快速、简单、灵敏等特点更为突出，并且发光细菌适用于大批量化合物和样品的初筛，在环境污染监测、环境污染控制、环境科学规划等方面有着十分广阔的应用前景，特别是在控制环境毒物污染和强化工业污染源管理方面，利用好发光细菌大有裨益。现阶段，发光细菌已经在水质、土壤、环境评价等领域中已经得到十分广泛的应用，并取得较好毒性测定效果，伴随着现代科学技术不断发展，发光细菌方法也能得到进一步完善，尤其是在该方法与其他先进科学技术手段相联合方面，可以为水质分析、重金属检测等提供强有力的支持，环境污染监测水平与质量也能得到极大提升[9]。对发光细菌在环境污染监测中的发展趋势进行展望，主要包含：（1）利用发光细菌制作生物传感器，考虑到一些污染物的浓度与发光细菌发光强度具有一定线性关系，这就为环境污染监测提供了新的启示，即有效利用这一线性关系稳定、灵敏地反映污染物浓度变化情况，同时还可以采用发光细菌对识别元件进行研发制作，比如生物毒性测试仪，将其运用到环境污染监测当中，不仅功能十分强大，而且适用范围比较广、检测灵敏度也较高；（2）发光细菌-基因工程，对基因工程技术进行运用，并通过相应软件系统，将其他非发光宿主细胞导入到其中，促进其成为一类可以发光的细菌，由于这一细菌有了基因工程技术从旁提供支持，因此开展环境污染监测工作，就能够快速地测定污染物实际毒性，特别是在土壤、水体存在细菌分布情况监测研究当中，就可以直接通过得到的光线检测结果，实现对环境中存在微生物生长、活性等情况在线监测，甚至还可以利用发光酶对巨大芽孢杆菌进行基因标记，进而得到更为稳定发光的标记菌株；（3）发光细菌微毒检测，在海洋生物中，一些生物具有发光的生理现象，这时候就可以对这些发光菌体进行仔细观察和深入研究，并将重点放在发光细菌被化学物质抑制上面，然后充分利用对环境较为敏感的发光细菌，对水体生物毒性进行有效检测，执行时还可以分离出更多发光细菌变种，用来检测环境污染物的致突变性，可以进一步扩大检测范围[10]。

4 结语

本文是对发光细菌在环境污染监测中应用的研究，面对当前社会发展暴露出的各种环境污染问题，社会各界对其监测治理引起极大关注，而将发光细菌方法运用到环境污染监测工作当中，可以实现对各类污染物毒性的有效测定与评价，所得结果也能为环境污染控制、环境污染治理等提供参考依据。实际操作中，要想取得这一理想效果，就要对发光细菌的分类、机理、测定方法等有一个全面系统的了解，然后将之运用到工业废水毒性测定、特定水域毒性测定、有机化合物毒性测定等中，具有操作简便、灵敏度高、结果准确等应用优势，要促进发光细菌在环境污染监测领域得到更加深入的应用，还要坚持与时俱进，促进发光细菌与现代先进技术相融合，并取得扩大检测范围、提高监测结果质量等效果。