综述：用于实时污染物监测与解毒的智能生物传感器进展：机制、应用与挑战

本综述系统阐述了智能生物传感器（Smart Biosensors）在污染物实时监测与解毒中的前沿进展，涵盖其识别机制（如酶、微生物、光电催化）、应用场景（水/土壤/空气）及技术挑战（稳定性、多污染物检测等）。重点突出了纳米材料、物联网（IoT）与人工智能（AI）融合的创新方向，为环境治理提供高效、低成本解决方案。

　　

引言

工业、农业及城市活动持续释放的有毒污染物对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统监测与修复方法在灵敏度、时效性和效率方面存在局限，而智能生物传感器系统通过整合生物识别与信号转导技术，为实现污染物实时检测与解毒提供了突破性解决方案。本综述从污染物来源、智能生物传感器分类、功能机制及解毒策略等多维度展开分析，并展望其未来发展趋势。

有毒污染物

环境污染物主要包括重金属（如铅、汞）、有机化合物（酚类、农药、药物残留）、微塑料及放射性元素等。其中微塑料可通过疏水作用、氢键、π-π堆积等机制吸附其他污染物，导致生物富集效应。全球80%的工业废水未经处理直接排放，含氯副产物等污染物每年引发数千例癌症病例。有效管理这些污染物需依赖监测、修复与预防三重策略。

智能生物传感器

生物传感器由生物识别元件（酶、抗体、核酸、微生物）和信号转换器（电化学、光学、压电）构成。其优势在于高灵敏度、低成本、快速响应（数分钟至1小时）及便携性。按识别元件可分为免疫传感器（Immunosensors）、适体传感器（Aptasensors）、基因传感器（Genosensors）和酶基传感器（Enzymatic Biosensors）。纳米材料的引入显著提升了检测性能，例如金纳米颗粒固定葡萄糖氧化酶可检测多溴二苯醚（PBDE），检测限达0.014 μg/L。

生物传感器系统的解毒机制

解毒策略主要包括酶催化降解、微生物修复和光电催化氧化：

1. 1.
   酶催化降解：漆酶（Laccase）可催化酚类和染料的氧化降解，检测限达纳摩尔级；
2. 2.
   微生物修复：工程菌如假单胞菌（Pseudomonas sp.）可降解芳香烃（菲、芴等），4天内降解率达91.16%；大肠杆菌（Escherichia coli）通过荧光基因表达实现重金属检测与解毒；
3. 3.
   光电催化：光催化细胞可同步检测并降解有机污染物，适用于工业土壤与水体修复。

案例研究

实际应用中，生物传感器系统已成功用于多种环境介质：

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  水环境中，基于细胞游离技术的纸基传感器可检测Hg²⁺（线性范围0.5–500 nM）和Pb²⁺（1–250 nM）；
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  土壤修复中，微生物传感器耦合降解菌群可实时监测并分解石油烃类污染物；
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  大气监测中，电化学传感器与IoT平台结合实现了PM_2.5和臭氧的连续跟踪。

近期进展

纳米材料（如石墨烯、量子点）、物联网（IoT）及人工智能（AI）的融合推动生物传感器向更高性能发展：

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  纳米酶模拟物提升了催化效率与稳定性；
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  便携式平台支持现场快速检测；
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  AI算法优化了多污染物同步分析能力。

挑战与未来方向

当前面临的主要挑战包括：生物元件在复杂环境中的稳定性、多污染物同步检测技术瓶颈、规模化成本控制以及标准化验证体系缺失。未来需聚焦于自再生型多功能传感器开发、AI驱动自适应检测系统构建及跨学科技术集成。

结论

智能生物传感器系统通过高效识别与解毒功能，为环境污染治理提供了革命性工具。其与纳米技术、IoT和AI的深度结合，将推动环境监测向实时化、精准化和智能化方向发展，最终实现生态与健康的可持续管理。