環境の安全性は、大気中に存在する多くの有害な汚染物質のために、生物の安全性にとって重要な懸念事項となっています。環境汚染の脅威を制御し管理するためにさまざまなアプローチが採用されていますが、これは依然として世界的な課題です。したがって、効果的なバイオレメディエーションのために、汚染物質を検出しスクリーニングするための敏感で迅速かつ選択的な技術の開発が必要です。この観点から、酵素または酵素を生成する生物システムを使用して、汚染物質を検出、定量、分解または非汚染化合物に変換し、生態系のバランスを回復することができます。バイオセンサーは、環境汚染を検出し測定するための信頼性が高く、特別で敏感な方法です。

バイオセンサーは、トランスダクション要素と直接接触する生化学的受容体を使用して、正確で定量的かつ分析的な情報を提供する自給自足型の統合ツールです。バイオセンサーは、生物学的認識要素、トランスデューサー、信号処理システムの3つの主要なコンポーネントで構成されています。酵素ベースのバイオセンサーの主な特徴には、測定の正確性と精度、速度、感度、特異性、測定範囲、テストの信頼性、キャリブレーションと長期的な安定性、堅牢性、サイズ、安全性、ポータビリティ、分析コスト、ユーザーの受容性が含まれます。酵素は、特定の化合物（CO₂、NH₃、H₂O₂、H⁺、O₂など）の消費または生成物を測定することによって、特定の分析物の存在を検出できます。したがって、センサーは汚染物質を特定し、その存在を基質と相関させることができます。酵素は主に、酸化還元酵素、転移酵素、加水分解酵素、異性化酵素、脱離酵素、リガーゼの6つのカテゴリに分類され、酸化還元酵素と加水分解酵素は、さまざまな有害な重金属やメタロイドを検出するためのバイオセンサーとして主に使用されます。

酸化還元酵素

酸化還元酵素は、分子から別の分子に電子を移動させる酵素のクラスです。電子を移動させる分子は電子供与体または還元剤と呼ばれ、電子を受け取る分子は電子受容体または酸化剤と呼ばれます。多くの酸化還元酵素は、重金属やメタロイドを検出し定量するために成功裏に使用されています。例えば、チロシナーゼ、ポリピロールグルコースオキシダーゼ（PPy-GOx）、硝酸還元酵素などは、Cd²⁺、Cr³⁺、Cr⁶⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺などの検出に使用されています。

加水分解酵素

加水分解酵素は、化学結合を加水分解する酵素のクラスです。重金属汚染を検出するための加水分解酵素の例は、アルカリフォスファターゼによるCu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Ag²⁺の検出です。

異性化酵素

異性化酵素は、分子を別の異性体に変換して分子内の再配置を助ける酵素のクラスです。異性化酵素は、Hg²⁺を検出するためのバイオセンサーとして成功裏に使用されました。

汚染物質の検出における酵素ベースのバイオセンサー

環境中の汚染物質は主に無機化合物（重金属）、有機リン酸エステル、フェノール化合物に分類されます。カドミウム、クロム、銅、ニッケル、鉛、亜鉛などの重金属は、硝酸還元酵素の阻害によって検出できます。ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素（PPQ-GDH）および西洋わさびペルオキシダーゼは、Pb²⁺、Cd²⁺、Hg⁺、Hg²⁺を検出するために使用できます。アルカリフォスファターゼバイオセンサーは、Cd²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Co²⁺、Zn²⁺を成功裏に検出できます。グルコースオキシダーゼは、Ag⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Cr³⁺などの重金属イオンを検出するために使用できます。ウレアーゼは、Ag⁺、Pb²⁺、Sb³⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Ni²⁺などを検出するために使用できます。チロシナーゼは、Cu²⁺イオンを検出するために使用できます。

有機リン酸エステル（農薬、殺虫剤、除草剤）の使用は、環境、人間の健康、エコシステムに深刻な脅威をもたらします。一般的に使用される有機リン酸エステルには、パラチオン、メチルパラチオン、マラチオン、ジアジノン、クロルピリホス、フェニトロチオン、ジクロルボス、フォスメットが含まれます。これらの化合物は人間や動物に対して深刻な危険をもたらすため、その検出と定量は重要です。さまざまな酵素が、有機リン酸エステルの検出のためのバイオセンサーの構築に使用されており、アセチルコリンエステラーゼ（AChE）、ブチリルコリンエステラーゼ（BChE）、グルコースオキシダーゼ（GOx）、ウレアーゼ、有機リン酸酸無水物加水分解酵素（OPAAおよびOPH）が含まれます。

フェノールおよびその誘導体は、毒性化合物と見なされ、プラスチック、染料、ポリマー、医薬品、洗剤、殺虫剤、消毒剤などの製造および合成に関連するさまざまな工業廃水に存在します。クロロおよびニトロフェノールは、有機リン酸エステル殺虫剤および塩素化フェノキシ酸の主要な分解生成物です。これらの化合物は植物や動物に対して深刻な毒性を示し、遺伝毒性や変異原性を引き起こし、低濃度での光合成、呼吸、酵素触媒反応などの他の生命プロセスを減少させます。フェノール化合物およびその分解生成物を検出するために使用される酵素には、ラッカーゼ、チロシナーゼ、ペルオキシダーゼが含まれます。

参考文献

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