组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
重金属（镉 Cd、亚砷酸盐 As(III)、汞 Hg、镍 Ni、铜 Cu、锌 Zn、铅 Pb）、酚类（phenolics）、多环芳烃（PAHs，如萘 naphthalene）、BTEX（苯 benzene、甲苯 toluene、乙苯 ethylbenzene、二甲苯 xylene）、2,4-D、三丁基锡（TBT）、二氧化氯（ClO2）及综合毒性/致突变性；样品基质：水、海水、土壤/土壤提取物、地下水、废水、沉积物。
检测原理
基因工程微生物生物传感器以活细胞为识别与放大单元。目标污染物或生理胁迫进入/接触细胞后，与细胞内或表面表达的响应调控蛋白结合，或诱导胁迫响应启动子，使调控蛋白构象改变并激活报告基因转录。报告基因产物随浓度剂量相关地产生可测信号：lux/luc 催化脂肪醛/荧光素氧化产生生物发光；gfp 在激发光下发射荧光；lacZ 催化 X-gal 或 p-aminophenyl-β-D-galactopyranoside 显色，后者可进一步电化学氧化为电流。信号经发光计、CMOS、光电倍增管或电极读出。基因表达、酶催化底物转化、表面表达蛋白/周质结合蛋白及细胞阵列构成主要放大与增强策略。
检测灵敏度
LOD: 25 nM（Cd，水）；5 μM（Cd，土壤）；0.2 nM（甲基汞，土壤提取物）；1 nM（苯基汞，土壤提取物）；10 μM（二甲基汞，土壤提取物）；0.003 μg/kg（汞，土壤提取物）；0.7 μg/kg（亚砷酸盐，土壤提取物）；100 nM（汞，单细胞阵列）；1 ng/mL（丝裂霉素 C，单细胞阵列）；报告检测值/范围: 0.1 μM（Ni2+，土壤）；0–0.5 μM（lux，亚砷酸盐，饮用水）；0.1–0.6 μM（gfp，亚砷酸盐，饮用水）；高于 8 μg/L（lacZ，亚砷酸盐，饮用水）；20 μg/L–400 mg/L（重金属，河水）；10–100 μg/L（亚砷酸盐，地下水）；0.1 μM–10 mM（酚类，土壤提取物/废水）；0–25 mg/L（2,4-D，土壤）；0–50 mg/kg（2,4-D，土壤）；0.195 mM（苯，土壤提取物）；0.218 mM（甲苯，土壤提取物）；0.036 mM（乙苯，土壤提取物）；0.043 mM（间二甲苯，土壤提取物）；0–15 mg/L（萘，土壤提取物）；2 ppm（双酚 A，DNA损伤）；3.4 mg/L（ClO2，消毒效力）
效应效果
综述指出，微生物生物传感器便携、低成本、可现场使用，但传统重现性和灵敏度低于化学分析，多数难以检测低于 0.1 μM 的浓度，易对结构类似物交叉响应，且报告基因表达造成延迟。实际应用中，越南近 200 口地下水井的砷检测准确率超过 90%；酚类传感器在 0.1 μM–10 mM 范围内与化学分析相近。稳定性方面，冻干细胞可保存数月，琼脂固定约 2 周，4°C 工作缓冲液保存 5 天，活菌阵列寿命 >6 h、货架期 2 周，表面表达有机磷水解酶菌株 45 天保留 100% 活性。作者认为其适合便携式试剂盒、芯片/光纤高通量阵列及在线预警。
传感器的构成
- 换能/读出基底：电极、光纤、芯片微孔、比色试纸或发光计探头，用于承载传感器并转换/读取信号
- 固定/保存层：琼脂、膜、聚合物微胶囊、溶胶-凝胶或冻干层，用于固定/保存微生物并维持活性
- 识别元件：基因工程微生物（E. coli、P. putida、P. fluorescens、V. fischeri）内污染物响应调控蛋白/启动子（如 CapR、recA、SOS 启动子）
- 报告基因/信号元件：lux/luc、gfp、lacZ 或 crtA/crtI，表达荧光素酶、GFP、β-半乳糖苷酶或类胡萝卜素合成酶
- 底物/辅助物：X-gal、p-aminophenyl-β-D-galactopyranoside、ATP/荧光素、长链脂肪醛/还原型 FMN，用于产生比色、电化学或发光信号
中文摘要
微生物生物传感器具有体积小、可便携、成本低、操作简便等优点，适合用于环境污染物的原位监测。其核心策略是将可剂量响应于目标化学物质或生理信号的调控基因与报告基因融合，使目标物诱导报告基因表达并产生可测信号；通过改造调控基因或效应结合位点，可进一步扩展目标范围并提高灵敏度。近年来，基因工程微生物生物传感器已被用于便携式检测试剂盒、芯片细胞阵列、光纤及其他平台，实现现场和在线监测。本综述重点讨论基因改造微生物生物传感器在真实环境原位监测中的开发与应用进展，并分析其商业化、细胞活性维持、灵敏度与选择性限制及未来微型化、高通量、无线自动化方向。
英文摘要
Microbial biosensors are compact, portable, cost effective, and simple to use, making them seem eminently suitable for the in situ monitoring of environmental pollution. One promising approach for such applications is the fusion of reporter genes with regulatory genes that are dose-dependently responsive to the target chemicals or physiological signals. Their biosensor capabilities, such as target range and sensitivity, could be improved by modification of regulatory genes. Recent uses of such genetically engineered microbial biosensors include the development of portable biosensor kits and high-throughput cell arrays on chips, optic fibers, or other platforms for on-site and on-line monitoring of environmental pollution. This mini-review discusses recent advances in microbial biosensors and their future prospects, with a focus on the development and application of genetically modified microbial biosensors for in situ environmental monitoring.