近期,天津大學(xué)化工學(xué)院仰大勇教授課題組在化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科國際權(quán)威期刊《Chemical Engineering Journal》上發(fā)表關(guān)于DNA示蹤劑在環(huán)境水文污染源示蹤方面的最新成果。該研究以質(zhì)粒DNA為模板,采用生物高分子進(jìn)行物理保護(hù),并添加磁性納米顆粒增強(qiáng)其回收能力,所制造的DNA示蹤劑具有極高的檢測靈敏性和特異性,為環(huán)境水文多污染源的示蹤提供了新思路。相關(guān)成果已申請(qǐng)中國發(fā)明專利,并在河道污染源探測中進(jìn)行示范應(yīng)用。天津大學(xué)化工學(xué)院博士后廖人寬、碩士研究生張姣姣和碩士研究生李濤濤為共同第一作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金的資助支持。

天津大學(xué)仰大勇課題組: 生物高分子/質(zhì)粒DNA復(fù)合微球應(yīng)用于環(huán)境水文多污染源示蹤
圖 1. 聚乳酸/質(zhì)粒DNA復(fù)合微球示蹤劑的制造、應(yīng)用和檢測過程

 

近年來,污染物肆意向環(huán)境水體中排放,嚴(yán)重污染了水資源,對(duì)生存環(huán)境和健康造成重大威脅。不同水體之間通過滲流、抽提、灌溉等復(fù)雜水文地質(zhì)過程和人為活動(dòng)發(fā)生相互交換,導(dǎo)致水環(huán)境中污染源的識(shí)別極為困難,加大了水環(huán)境保護(hù)的難度。示蹤系統(tǒng)可定位污染源,但傳統(tǒng)示蹤劑(如鹵化物)存在諸多問題和局限。

比如,天然示蹤劑會(huì)與環(huán)境水體中的背景值相混淆;人造示蹤劑雖克服了環(huán)境背景值的影響,但種類有限,難以進(jìn)行多污染源示蹤;應(yīng)用多個(gè)示蹤劑時(shí),運(yùn)移特性和降解速率難以統(tǒng)一控制;當(dāng)示蹤劑應(yīng)用于大尺度流域時(shí),濃度太稀會(huì)導(dǎo)致測試?yán)щy,而投入較高濃度的示蹤劑則可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成潛在的污染和破壞。

DNA是存儲(chǔ)和編碼基因信息的重要生物大分子。從化學(xué)角度來看,DNA的分子結(jié)構(gòu)具有可設(shè)計(jì)性、多樣性和多功能性等優(yōu)點(diǎn)。這些特性使得基于DNA分子來構(gòu)建示蹤系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)示蹤系統(tǒng)存在的不足。例如,DNA分子序列組合具有數(shù)量無限且獨(dú)立可彼此區(qū)分、無環(huán)境背景值影響、檢測靈敏度高、運(yùn)移和降解特性一致等諸多傳統(tǒng)示蹤劑所不具備的優(yōu)點(diǎn),并且環(huán)境友好,十分適合于研究復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的多污染源識(shí)別難題。

基于DNA分子的上述特性,他們以質(zhì)粒DNA分子為模板,通過大腸桿菌擴(kuò)增DNA,以廉價(jià)的方法獲得了大量目標(biāo)DNA。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步添加磁性納米顆粒以增強(qiáng)在水環(huán)境中應(yīng)用的回收率(借助磁性回收裝置)。最后將質(zhì)粒DNA和磁性納米顆粒包裹在生物高分子(聚乳酸)中進(jìn)行物理保護(hù)。

聚乳酸形成的微球漂浮在水面,避免了示蹤劑沉入水底,起到了很好的濃縮效果,且方便收集。

DNA示蹤劑在極端環(huán)境條件(高溫、高鹽、高紫外線和降解酶)中仍然能夠發(fā)揮示蹤作用。通過聚合酶鏈?zhǔn)綌U(kuò)增反應(yīng),不同示蹤劑之間彼此可區(qū)分且檢測靈敏度極高,理論上,收集到單個(gè)微球,即可準(zhǔn)確檢測出信號(hào)。最后,通過模擬試驗(yàn),提出了DNA示蹤劑在真實(shí)環(huán)境場景中的應(yīng)用策略。

該DNA示蹤系統(tǒng)對(duì)于促進(jìn)環(huán)境示蹤技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用,有望應(yīng)用于環(huán)境水文過程表征和水土環(huán)境評(píng)價(jià)及保護(hù)等領(lǐng)域。

原文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126035

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