组成图示
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传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
磷酸盐（phosphate, PO4^3-）、氨/铵（ammonia/ammonium, NH3/NH4+）；样品基质：沿海与郊区流域水样、切萨皮克湾及缅因州河流/井水/池塘等淡水或河口环境水样。
检测原理
该传感器以工程化大肠杆菌为活细胞换能器。当环境中磷酸盐不足时，phoB 磷酸盐调节子被激活，诱导 phoA 启动子；当氨/铵不足时，glnFG/NTR 系统激活，诱导 glnAp2 启动子。启动子驱动 luxCDABE 操纵子转录，luxAB 编码荧光素酶，luxCDE 将脂肪酸合成中间物转化为脂肪酸醛。荧光素酶催化脂肪酸醛、还原型 FMN 和 O2 发生氧化反应并产生光子。营养盐浓度越高，细胞饥饿程度越低，诱导延迟越长、固定时间点发光越低；在标准曲线线性范围内，log RLU 与磷酸盐或氨浓度呈负相关。通过标准曲线和 95% 置信区间反推水样中营养盐浓度。
检测灵敏度
线性范围: 磷酸盐 1–24 ppm（标准曲线线性段 0.4–15.8 ppm）；氨 0.1–1.6 ppm（标准曲线线性段 0.2–1.5 ppm，多数 0.6–1.6 ppm）；磷酸盐标准曲线方程: y = 6.202 - 0.041x；氨标准曲线方程: y = 4.746 - 0.188x；磷酸盐浓度与诱导时间关系: R = 0.99。
效应效果
与 LaMotte 试剂盒相比，生物传感器 95% 校准区间可包含已知磷酸盐 ≤7.04 ppm 和氨 ≤1.01 ppm；更高浓度（磷酸盐 10.56、15.83 ppm，氨 1.52 ppm）接近但未落入区间。phoB 或 glnFG 突变体不响应，说明特异性由营养调节子控制。实际水样中，磷酸盐试剂盒多报 <1 ppm，生物传感器多报 1–10 ppm，部分达 11.80–20.62 ppm；氨试剂盒与生物传感器较一致，13 个样品中 7 个落在 95% 区间内，6 个试剂盒偏低。冻存细胞 24 个月活力 >90%，单拷贝染色体整合与多拷贝质粒响应范围一致。作者认为其可监测生物可利用磷酸盐和氨，适用于流域营养盐富集预警。
传感器的构成
- 宿主细胞/换能器：工程化大肠杆菌 E. coli（W3110、RFM443 等），作为活细胞换能器，感知营养饥饿并产生生物发光。
- 识别/调控元件：E. coli 磷酸盐饥饿响应启动子 phoA 或氮饥饿响应启动子 glnAp2，响应磷酸盐或氨缺乏并启动报告基因转录。
- 报告基因/信号标记：费氏弧菌 luxCDABE 操纵子，编码荧光素酶及脂肪酸醛合成酶，产生可定量生物发光。
- 载体/表达系统：pUCD615 衍生质粒 pPhoALux5 或 pGlnALux3，以及 lacZ 位点单拷贝染色体整合，携带启动子-lux 融合。
- 反应基质：HMM 或 BMM 最小培养基，提供低磷酸盐/低氨条件，使细胞进入饥饿状态并诱导发光。
- 内源信号底物：细胞内脂肪酸池、还原型 FMN 和 O2，作为 lux 发光反应底物/电子供体，决定光输出。
- 读出装置：Topcount 微孔板发光计（Packard），在 96 孔不透明黑色微孔板中读取相对光单位 RLU。
中文摘要
河口系统中磷酸盐和氨的积累及其引发的甲藻与藻华，已被认为与鱼类死亡及渔民健康风险有关。分析化学试剂盒常用于测定水样中磷酸盐和氨水平，但其灵敏度受限于仅针对这些物质的无机形式。本研究构建了一种大肠杆菌生物发光报告系统，将大肠杆菌启动子 phoA 或 glnAp2 与费氏弧菌 luxCDABE 操纵子融合，载体位于染色体或多拷贝质粒上，使细胞在磷酸盐或氨饥饿时发光。结果表明，发光响应分别受预期生理调节子 phoB 和 glnFG 控制。利用标准曲线可测定美国东北部不同流域水样中的磷酸盐和氨水平。营养饥饿诱导的生物发光与磷酸盐（1–24 ppm）和氨（0.1–1.6 ppm）浓度相关。氨生物传感器在测试水样中测得的营养盐浓度与商业试剂盒相当，而磷酸盐生物传感器在切萨皮克水样中报告的磷酸盐水平高于试剂盒。
英文摘要
Accumulation of phosphate and ammonia in estuarine systems and subsequent dinoflagellate and algal blooms has been implicated in fish kills and in health risks for fishermen. Analytic chemistry kits are used to measure phosphate and ammonia levels in water samples, but their sensitivity is limited due to specificity for inorganic forms of these moieties. An Escherichia coli bioluminescent reporter system measured the bioavailability of inorganic nutrients through fusion of E. coli promoters (phoA or glnAp2) to the luxCDABE operon of Vibrio fischeri carried either on the chromosome or on a multicopy plasmid vector, resulting in emission of light in response to phosphate or ammonia starvation. Responses were shown to be under the control of expected physiological regulators, phoB and glnFG, respectively. Standard curves were used to determine the phosphate and ammonia levels in water samples from diverse watersheds located in the northeastern United States. Bioluminescence produced in response to nutrient starvation correlated with concentrations of phosphate (1-24 ppm) and ammonia (0.1-1.6 ppm). While the ammonia biosensor measured nutrient concentrations in tested water samples that were comparable to the amounts reported by a commercial kit, the phosphate biosensor reported higher levels of phosphate in Chesapeake water samples than did the kit.