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    天津大學仰大勇課題組: 生物高分子/質粒DNA復合微球應用于環境水文多污染源示蹤
    2020-06-26  來源:高分子科技

      近期,天津大學化工學院仰大勇教授課題組在化學工程與技術學科國際權威期刊《Chemical Engineering Journal》上發表關于DNA示蹤劑在環境水文污染源示蹤方面的最新成果。該研究以質粒DNA為模板,采用生物高分子進行物理保護,并添加磁性納米顆粒增強其回收能力,所制造的DNA示蹤劑具有極高的檢測靈敏性和特異性,為環境水文多污染源的示蹤提供了新思路。相關成果已申請中國發明專利,并在河道污染源探測中進行示范應用。天津大學化工學院博士后廖人寬、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基金和中國博士后科學基金的資助支持。


      近年來,污染物肆意向環境水體中排放,嚴重污染了水資源,對生存環境和健康造成重大威脅。不同水體之間通過滲流、抽提、灌溉等復雜水文地質過程和人為活動發生相互交換,導致水環境中污染源的識別極為困難,加大了水環境保護的難度。示蹤系統可定位污染源,但傳統示蹤劑(如鹵化物)存在諸多問題和局限。比如,天然示蹤劑會與環境水體中的背景值相混淆;人造示蹤劑雖克服了環境背景值的影響,但種類有限,難以進行多污染源示蹤;應用多個示蹤劑時,運移特性和降解速率難以統一控制;當示蹤劑應用于大尺度流域時,濃度太稀會導致測試困難,而投入較高濃度的示蹤劑則可能會對環境造成潛在的污染和破壞。


      DNA是存儲和編碼基因信息的重要生物大分子。從化學角度來看,DNA的分子結構具有可設計性、多樣性和多功能性等優點。這些特性使得基于DNA分子來構建示蹤系統能夠克服傳統示蹤系統存在的不足。例如,DNA分子序列組合具有數量無限且獨立可彼此區分、無環境背景值影響、檢測靈敏度高、運移和降解特性一致等諸多傳統示蹤劑所不具備的優點,并且環境友好,十分適合于研究復雜水文地質條件下的多污染源識別難題。


    圖 1. 聚乳酸/質粒DNA復合微球示蹤劑的制造、應用和檢測過程


      基于DNA分子的上述特性,他們以質粒DNA分子為模板,通過大腸桿菌擴增DNA,以廉價的方法獲得了大量目標DNA。在此基礎上,進一步添加磁性納米顆粒以增強在水環境中應用的回收率(借助磁性回收裝置)。最后將質粒DNA和磁性納米顆粒包裹在生物高分子(聚乳酸)中進行物理保護。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示蹤劑在極端環境條件(高溫、高鹽、高紫外線和降解酶)中仍然能夠發揮示蹤作用。通過聚合酶鏈式擴增反應,不同示蹤劑之間彼此可區分且檢測靈敏度極高,理論上,收集到單個微球,即可準確檢測出信號。最后,通過模擬試驗,提出了DNA示蹤劑在真實環境場景中的應用策略。該DNA示蹤系統對于促進環境示蹤技術的發展起到了積極的推動作用,有望應用于環境水文過程表征和水土環境評價及保護等領域。


      原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126035


      課題組主頁:http://yanglab-dna.com/ 


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    (責任編輯:xu)
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