天津大学仰大勇课题组: 生物高分子/质粒DNA复合微球应用于环境水文多污染源示踪

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近期，天津大学化工学院仰大勇教授课题组在化学工程与技术学科国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》上发表关于DNA示踪剂在环境水文污染源示踪方面的最新成果。该研究以质粒DNA为模板，采用生物高分子进行物理保护，并添加磁性纳米颗粒增强其回收能力，所制造的DNA示踪剂具有极高的检测灵敏性和特异性，为环境水文多污染源的示踪提供了新思路。相关成果已申请中国发明专利，并在河道污染源探测中进行示范应用。天津大学化工学院博士后廖人宽、硕士研究生张姣姣和硕士研究生李涛涛为共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助支持。

近年来，污染物肆意向环境水体中排放，严重污染了水资源，对生存环境和健康造成重大威胁。不同水体之间通过渗流、抽提、灌溉等复杂水文地质过程和人为活动发生相互交换，导致水环境中污染源的识别极为困难，加大了水环境保护的难度。示踪系统可定位污染源，但传统示踪剂（如卤化物）存在诸多问题和局限。比如，天然示踪剂会与环境水体中的背景值相混淆；人造示踪剂虽克服了环境背景值的影响，但种类有限，难以进行多污染源示踪；应用多个示踪剂时，运移特性和降解速率难以统一控制；当示踪剂应用于大尺度流域时，浓度太稀会导致测试困难，而投入较高浓度的示踪剂则可能会对环境造成潜在的污染和破坏。

DNA是存储和编码基因信息的重要生物大分子。从化学角度来看，DNA的分子结构具有可设计性、多样性和多功能性等优点。这些特性使得基于DNA分子来构建示踪系统能够克服传统示踪系统存在的不足。例如，DNA分子序列组合具有数量无限且独立可彼此区分、无环境背景值影响、检测灵敏度高、运移和降解特性一致等诸多传统示踪剂所不具备的优点，并且环境友好，十分适合于研究复杂水文地质条件下的多污染源识别难题。

图 1. 聚乳酸/质粒DNA复合微球示踪剂的制造、应用和检测过程

基于DNA分子的上述特性，他们以质粒DNA分子为模板，通过大肠杆菌扩增DNA，以廉价的方法获得了大量目标DNA。在此基础上，进一步添加磁性纳米颗粒以增强在水环境中应用的回收率（借助磁性回收装置）。最后将质粒DNA和磁性纳米颗粒包裹在生物高分子（聚乳酸）中进行物理保护。聚乳酸形成的微球漂浮在水面，避免了示踪剂沉入水底，起到了很好的浓缩效果，且方便收集。DNA示踪剂在极端环境条件（高温、高盐、高紫外线和降解酶）中仍然能够发挥示踪作用。通过聚合酶链式扩增反应，不同示踪剂之间彼此可区分且检测灵敏度极高，理论上，收集到单个微球，即可准确检测出信号。最后，通过模拟试验，提出了DNA示踪剂在真实环境场景中的应用策略。该DNA示踪系统对于促进环境示踪技术的发展起到了积极的推动作用，有望应用于环境水文过程表征和水土环境评价及保护等领域。

原文链接：

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

课题组主页：http://yanglab-dna.com/ 

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