基于微藻的生物传感器在环境监测与新兴食品安全应用中的机遇与挑战：全细胞与光合组分平台评述

《iScience》：Microalgae-based biosensing technologies for environmental monitoring and emerging food safety applications: Opportunities and challenges

　　

微藻作为生物传感元件已被长期研究，然而其转化为稳健、可部署的生物传感器仍受到与细胞活力、分析物选择性和换能器整合相关的挑战限制。其传感功能基于污染物诱导的光合作用、呼吸作用、酶活性和代谢变化，这些变化可被转换为可测量的光学或电化学信号。光学传感器通常监测与光系统II（Photosystem II, PSII）抑制相关的叶绿素荧光变化，而电化学系统则通过电流分析法、电位分析法或电导分析法检测氧释放量或酶活性的变化。尽管灵敏度具有可观前景，实际部署仍受制于操作稳定性不足、选择性有限以及缺乏标准化制造方法。细胞固定化、微藻来源纳米材料、微流控平台和仿生识别元件等新兴进展为提高传感器性能和可重复性提供了机遇。本综述考察了全细胞型和光合组分型藻类生物传感器，重点指出了为实现可靠的环境与食品安全监测应用所必须解决的关键生物学和工程学挑战。

**一、研究背景与问题**

传统分析技术如高效液相色谱、气相色谱、电感耦合等离子体质谱及酶联免疫吸附测定等，虽具备高灵敏度、高选择性和标准化流程，但依赖昂贵仪器、专业人员和实验室操作，难以满足环境与食品污染物的快速现场检测需求。这一分析缺口推动了生物传感器平台的发展。微藻因生长迅速、环境耐受性强、可响应多种污染物诱导的生理变化，被视为理想的全细胞传感元件。然而，现有微藻生物传感器大多停留在实验室验证阶段，实际应用面临三大核心瓶颈：全细胞传感元件长期稳定性不足；广谱光合毒性响应导致分析物选择性差；缺乏可重复、可现场部署器件生产的标准化验证方案。此外，食品基质复杂性（蛋白质、脂质、色素等干扰物质）及维持细胞活力的苛刻生理条件进一步制约了其在食品安全领域的拓展。为此，研究人员开展本综述，旨在系统评估微藻生物传感的机制基础、换能策略、固定化方法及新兴增强技术，明确从概念验证走向实际部署的关键路径。

**二、研究内容与核心结论**

该综述首先阐明污染物-细胞相互作用是信号产生的基础。微藻细胞壁富含多糖、蛋白质和脂质，其可电离官能团通过静电作用结合重金属离子；重金属暴露呈双相过程，即快速表面吸附与缓慢能量依赖的细胞内转运及植物螯合肽和金属硫蛋白螯合。农药则通过生物吸附和生物降解途径与微藻作用，许多PSII类除草剂通过与D1蛋白上的QB结合位点作用阻断电子传递，导致叶绿素a荧光升高和氧释放量降低。光合电子传递链特别是PSII因此成为多数除草剂生物传感器的核心信号来源。然而，叶绿素荧光并非通用毒性信号，对靶向PSI、抑制碳固定或破坏膜完整性的污染物响应微弱或模糊，这推动了对双光电换能平台的关注。

在生物识别元件方面，全细胞微藻传感器保留天然光合和代谢机制，可检测多种污染物类别；表面相关酶如碱性磷酸酶（ALP, EC 3.1.3.1）、酯酶和乙酰胆碱酯酶则提供无需提取纯化的原位识别位点。ALP是应用最广泛的酶学报告元件，其抑制响应可检测重金属，酯酶和乙酰胆碱酯酶则敏感于有机磷和氨基甲酸酯类农药，多酶组合可部分区分污染物类别但交叉反应仍存。基于光合亚组分的传感器利用类囊体膜、PSII、反应中心或叶绿素-蛋白复合物作为识别界面，来自菠菜和蓝藻的组分已在光学和电化学平台中验证可行，但微藻来源的光合亚组分研究相对不足，缺乏功能保留率、批次一致性和长期稳定性等定量基准。

固定化技术方面，被动固定化（如海藻酸钙、琼脂糖、壳聚糖等物理包埋）提供三维微环境支持细胞活力和增殖，但通常不导电；主动固定化（如共价交联）缩短扩散路径改善换能器耦合，但交联剂可能损伤细胞膜。微流控芯片和实验室芯片（LOC）平台成为新兴趋势，可实现采样、检测、试剂储存和预处理集成，支持便携和实时分析。换能策略中，光学传感器以叶绿素a荧光为主，可非破坏性测量，但存在信号稳定延迟、浊度干扰和PSII下游分析物响应弱等局限；电化学传感器涵盖电位型（离子敏感场效应晶体管ISFET）、电流型（氧还原电流、介体辅助电流、直接光电流）和电导型（酶促反应离子变化）三类，具有高灵敏度、快速响应和低成本优势。双光电换能系统通过同时监测荧光和氧释放提供互补信息，显著提升检测可靠性，如碳黑修饰电极上固定化的莱茵衣藻（*Chlamydomonas reinhardtii*）实现皮摩尔至纳摩尔级检测限和10小时操作稳定性。微藻来源纳米材料（如金属纳米颗粒、碳量子点）具有信号放大潜力，但其在传感中的应用仍少于医学领域；外部纳米材料（如铜纳米颗粒纳米腔结构、多壁碳纳米管）可增强光电信号和氧还原动力学。环境监测领域微藻传感器已广泛用于水体重金属、除草剂和有机磷农药筛查，而食品安全应用尚处萌芽阶段，智能包装中的藻蓝蛋白比色指示剂（如检测氨、总挥发性碱性氮）展示了微藻作为新鲜度指示物的潜力。

**三、关键技术方法**

该综述基于非系统性但结构化的文献检索，对微藻生物传感器领域进行了代表性评估。研究涉及的主要关键技术包括：（1）细胞固定化技术，涵盖海藻酸钙、琼脂糖、溶胶-凝胶硅胶等被动包埋基质，以及戊二醛交联的牛血清白蛋白（BSA）矩阵等主动锚定方法；（2）微加工技术，如软光刻和剪纸（xurography）法制造微流控芯片；（3）光学换能平台，监测PSII抑制导致的叶绿素a荧光变化和光合氧释放的荧光淬灭检测；（4）电化学换能平台，包括计时电流法、电导测量和ISFET电位检测。（5）纳米材料增强策略，包括磁纳米颗粒辅助细胞固定、碳纳米管修饰电极、铜纳米颗粒纳米腔等离子体耦合。样本队列方面，涉及多种微藻菌株，包括蛋白核小球藻（*Chlorella pyrenoidosa*）、普通小球藻（*Chlorella vulgaris*）、莱茵衣藻（*Chlamydomonas reinhardtii*）、栅藻属（*Scenedesmus* sp.）以及亚顶假骈链藻（*Pseudokirchneriella subcapitata*）等。

**四、研究结果——按专题分述**

**（一）污染物-细胞相互作用作为信号发生事件**

重金属与微藻作用为双相过程，包括快速表面吸附和慢速能量依赖的胞内转运，激活超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）以清除活性氧（ROS）；农药通过生物吸附和酶介导降解与微藻作用，如*Chlorella sorokiniana*暴露于马拉硫磷后羧酸酯酶活性升高促进降解。Moro等的研究显示，多种微藻暴露于敌草隆、西玛津和Irgarol后PSII荧光响应具有种属特异性，其中*C. mirabilis*最敏感。

**（二）光合作用机制与生物传感**

PSII中D1蛋白上的QB结合位点成为多数除草剂生物传感器的分子靶点。三嗪类、苯脲类和二嗪类除草剂通过与QB位点结合阻断电子传递，导致荧光升高和产氧下降。重金属对光合作用的干扰更为复杂，涉及捕光复合物损伤、叶绿素生物合成酶抑制和卡尔文循环酶失活等多途径。

**（三）生物识别元件——全细胞与酶**

全细胞传感器可检测多种污染物类别。ALP是最广泛应用的酶学报告器，如Iravani等开发的基于栅藻（*Scenedesmus* sp.）的计时电流传感器检测Cd²⁺，IC₅₀为0.26 ppb，检测限（LOD）0.1 ppb，但对Hg²⁺存在干扰。Chouteau等的双酶电导传感器中，ALP对重金属敏感而乙酰胆碱酯酶对氨基甲酸酯和有机磷农药敏感。

**（四）组件型生物传感器**

菠菜来源类囊体膜和PSII已在电化学和光电化学平台验证可检测敌草隆和阿特拉津；微藻来源光合亚组分作为传感元件的研究仍少，需建立功能保留率、批次重复性、操作寿命和储存稳定性等定量基准。

**（五）固定化技术**

被动固定化维持细胞活力但缺乏导电性，膜厚度和凝胶孔隙率决定分析物传输动力学。主动固定化改善换能器耦合但交联剂损伤膜。碳黑纳米材料增强的纸基丝网印刷电极固定化莱茵衣藻实现了皮摩尔至纳摩尔级检测限、10小时操作稳定性和约3周储存稳定性。

**（六）光学换能**

基于叶绿素a荧光的传感器可检测PSII抑制型除草剂。Rathnayake等用硅胶固定化栅藻检测Cd、Cu、Zn，LOD约0.9 mg/L；Kashem等用双膜生物膜检测敌草隆（LOD 1 μg/L）；荧光氧传感微阵列检测敌草隆LOD为1 ppb。光学平台受制于信号稳定延迟、浊度干扰和PSII下游分析物低响应。

**（七）电化学换能**

Patial等的ISFET电位传感器基于ALP抑制检测乙酰甲胺磷和三唑磷，LOD达10^?10 M；Zamaleeva等的磁辅助电流传感器检测阿特拉津和扑灭津，LOD分别为0.7和0.4 μM；Tsopela等的微流控芯片计时电流传感器检测敌草隆LOD约0.1 μM；Chouteau等的双酶电导传感器对Cd²⁺和Zn²⁺的LOD为10 ppb。

**（八）双光电换能**

Antonacci等开发的碳黑修饰电极固定化莱茵衣藻双模式传感器同时实现荧光和电流法检测敌草隆，灵敏度达皮摩尔至纳摩尔级，100次测量RSD为5%，操作稳定10小时。Bela?di等的LOC装置整合三电极电化学微池和有机光电探测器，在纳米摩尔浓度即可检测到荧光升高和氧释放降低。

**（九）微藻来源纳米材料**

微藻可胞内或胞外合成金属纳米颗粒和碳基纳米材料。Singh等从*Dunaliella salina*合成氮磷掺杂碳点（A-NPCDs），检测Hg(II)和Cr(VI)的LOD为0.018 μM。Zhang等利用微藻生物合成CdSe量子点用于伊马替尼检测，LOD为0.014 μg mL^-1。Roxby等的铜纳米颗粒纳米腔结构将微藻光电响应信号增强两个数量级以上，实现纳摩尔级多金属检测。

**（十）环境与食品安全应用**

环境监测领域，微藻传感器可指示重金属、除草剂和有机磷农药毒性。食品安全应用中，藻蓝蛋白提取物用于智能包装pH/氨响应比色膜，如Najafi和Kahyaoglu开发的果胶-藻蓝蛋白-碳点膜检测鱼肉新鲜度，LOD为9.04 mg N/100 g，但本质为比色指示剂而非完整生物传感器。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出现有微藻传感器选择性不足源于不同污染物可引发相似的微藻代谢扰动。提升选择性需采用多菌株差异传感器阵列、基因工程（CRISPR/Cas、TALENs、ZFNs）构建定制生物受体、仿生识别分子（如计算机设计的D1蛋白QB结合位点模拟肽D1pepMut）以及多参数传感平台。多菌株阵列（Podola等）通过比较不同菌株的荧光响应模式识别多种除草剂；敏感/抗性菌株对（Haigh-Flórez等的双头光纤传感器）可区分西玛津和异丙隆。研究还强调需区分纳米功能材料本身与微藻的响应贡献，并建立标准化报告参数（生物负载量、批次差异、细胞泄漏、操作寿命、储存稳定性和真实样品验证）。

研究结论表明：微藻生物传感器技术上可行、科学基础扎实。PSII电子传递链对多种化学胁迫因子的敏感性提供了通用且仪器可接通的信号源，已在光学、电流、电位和电导平台中实现利用。主要瓶颈为选择性不足、生物变异性高、操作稳定性有限以及缺乏标准化制造和验证协议。优先研究方向包括：（1）微藻光合亚组分（类囊体膜和纯化PSII）的分离与功能稳定化；（2）具明确光学/电化学性质的微藻来源纳米材料的表征与器件整合；（3）管理光照、CO₂和温度需求的现场可用微流控平台设计；（4）真实样品条件下的基准验证。唯有在集成化、性能基准化的框架内解决上述瓶颈，微藻生物传感器方能从实验室演示迈向可现场部署、符合法规要求的监测工具。