微生物全细胞生物传感器对重金属镉检测(文献综述）
1.重金属镉的污染检测
1.1镉的污染与危害
镉，作为一种重金属，具有重金属污染的特性，不能被微生物分解，且容易在生物体内富集，因此进入环境中后会对水体及土壤等造成污染。镉的污染主要来源于人类的工业生产活动中，其主要释放的途径有采矿、冶炼、镍镉电池生产、化学工业、磷肥制造、垃圾废物的焚烧等。当含镉离子的工业废水排入水体环境中后，除影响水体质量外，还通过农田的灌溉进入到土壤环境中造成面源污染，通过植物摄取进入植物体内富集，从而进入食物链。一旦动物或人类摄取后，它同样在生物体内富集，且会影响动物正常的生命活动，影响人类健康。进入人体后，它主要分布在肝、肾中，同时在其他各个身体器官中均有分布，镉浓度过高时会造成急性中毒，出现头晕、头疼、肌肉骨骼疼痛等症状。而镉引起的慢性中毒对人体的损害是一种长期的作用，包括肾脏损伤、骨骼疏松、缺铁性贫血、癌肿等。
1.2 重金属镉离子的检测
重金属镉离子的检测主要应用的是物理化学方法，将受污染的样品经过复杂的预处理后，再用大型的仪器进行分析检测。包括高效液相色谱法、原子吸收光谱法（AAS）、等离子体光谱法（ICP）等。除此之外，还有一种生物方法可以对重金属进行检测，即利用全细胞生物传感器研究生物对重金属的响应。基于生物机体所采用微生物全细胞传感器对重金属进行检测，相对于传统的物理化学方法，优点在于微生物生长快，容易操作，成本低，在培养微生物的过程中充分保证了金属离子与微生物最大面积的充分接触。由于细胞内的调控表达是对重金属离子的感应引起的，故其实质上反应了生物体内对重金属离子的代谢利用情况［1］，，因此可以反映微生物对重金属污染物的生物可利用度以及微生物的受毒害作用。
1.3微生物对重金属的生物可利用度
微生物对重金属的的生物可利用度是指通过微生物响应重金属离子产生响应的信号，从而反映出微生物对重金属的代谢利用情况。
生物可利用度(bioavailability)的定义是指，一定时间内，生物有机体在环境中能自由通过其周围的细胞膜的化合物量.与之接近的一个概念为bioaccessibility，即理论上可以进入生物有机体细胞膜的化合物，但是它进入细胞受时间和空间条件的限制[2].
2.全细胞生物传感器的原理
全细胞生物传感器是一种利用微生物为指示生物，利用其自身的感应和报告基因对待检测物质做出响应，将检测信号转化为可人为识别的信息。全细胞生物传感器主要由2个部分组成，感应识别元件和报告元件，感应元件能够对微生物生活环境中待检测的物质及其浓度带来的胁迫和压力做出响应［3］，而报告元件则将感应信号接收转化为后可检测的信号。［6］能对金属离子作出响应的全细胞生物传感器是一种特异性的金属离子生物传感器，特异微生物全细胞传感器是指，宿主菌的重组质粒，是由具有特异性响应的调控蛋白基因和报告基因组成的。当环境中存在重金属离子时，宿主菌吸收重金属离子，一旦进入宿主菌体内，重金属离子就会特异激活转录调控蛋白，绑定启动子或从启动子上脱落，激活( “turn on”)或抑制(“turn off”) 启动子的启动，下游报告基因被调控表达，产生能被检测到的信号。［4］一些研究中构建了含有相关报告基因和特异调控基因的基因工程菌株，这些特异调控基因包括如ars基因启动子受砷和锑诱导，cup启动子受铜诱导，cad启动子受镉和铅诱导［3］它们能够对环境中的极低浓度下特定的金属离子做出响应。
全细胞生物传感器对重金属离子的响应分为4个时期，初始期、线性期、稳定期、衰减期，初始期只产生一定的背景信号，信号期产生的信号呈现线性趋势，随着重金属离子浓度的增加信号逐渐加强。稳定期后信号保持平稳不再变化，到达衰减期，由于重金属对微生物的毒害作用，信号逐渐下降。［2］
3.全细胞生物传感器的构建
3.1绿色荧光蛋白
绿色荧光蛋白是一种在蓝光照射下能发出强烈荧光的蛋白质，最早是从发光水母中提取出来的。GFP是一个简单的基因编码，它和蓝细菌光敏色素一样同样不需要酶的催化和其他辅基的参与即可展现出强烈的荧光。目前国内外对GFP的应用与研究都较广泛，但它也具有一些局限性，容易受外界PH的影响，且在响应过程中表达蛋白会产生有毒物质，有很多研究定向突变GFP生成不同颜色的荧光蛋白来克服GFP的局限性。如黄色荧光蛋白、蓝色荧光蛋白等。［12］
3.2蓝细菌光敏色素
全细胞生物传感器的构建可将GAF结构域编码基因构建在表达载体上，GAF是磷酸二酯酶，腺苷酸环化酶和甲酸脱氢酶蛋白这三种蛋白组成的，代表了包括光敏色素在内的各种信号蛋白结构的一般结构模式［8］。用于构建的GAF结构域编码基因来自于蓝细光敏色素。光敏色素是一种感应光的天线，来自植物的光敏色素其主要是由三个部分组成PHY-GAF-PHS，它们构成了植物光信号的输入模块。［7］
蓝细菌同植物一样都具有光敏色素，不同于植物光敏色素，蓝细菌光敏色素(cyanobacterial phytochromes，简称 Cphs)不仅存在PHY-GAF-PHS结构域，还存在仅有一个GAF结构域的光敏色素，但它同样也能表现出光活性。蓝细菌光敏色素的感光机制是通过C15=C16 双键 E/Z 的顺反异构导致的色素 D 环的旋转[9]，响应光谱覆盖整个紫外和近红外区。单个 GAF 结构域表现出来的光活性其机理不需要裂合酶的催化，具有自催化的功能，不需要借助其他辅助因素即可连接发色团藻胆色素，表现出光活性且能够稳定色素，大大提高了色素与蛋白结合的效率。［7］gaf结构域自催化连接发色团，是通过GAF结构域中的保守性半胱氨酸cys的硫基与藻胆色素共价结合，由此形成具有光活性的色素蛋白.［10］
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