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  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(huán)境水文多污染源的示蹤提供了新思路。相關(guān)成果已申請中國發(fā)明專利，并在河道污染源探測中進行示范應(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。

  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)過程和人為活動發(fā)生相互交換，導(dǎo)致水環(huán)境中污染源的識別極為困難，加大了水環(huán)境保護的難度。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，難以進行多污染源示蹤；應(yīng)用多個示蹤劑時，運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，濃度太稀會導(dǎo)致測試?yán)щy，而投入較高濃度的示蹤劑則可能會對環(huán)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(xué)角度來看，DNA的分子結(jié)構(gòu)具有可設(shè)計性、多樣性和多功能性等優(yōu)點。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)量無限且獨立可彼此區(qū)分、無環(huán)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(tǒng)示蹤劑所不具備的優(yōu)點，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別難題。

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

  基于DNA分子的上述特性，他們以質(zhì)粒DNA分子為模板，通過大腸桿菌擴增DNA，以廉價的方法獲得了大量目標(biāo)DNA。在此基礎(chǔ)上，進一步添加磁性納米顆粒以增強在水環(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(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，收集到單個微球，即可準(zhǔn)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(huán)境場景中的應(yīng)用策略。該DNA示蹤系統(tǒng)對于促進環(huán)境示蹤技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動作用，有望應(yīng)用于環(huán)境水文過程表征和水土環(huán)境評價及保護等領(lǐng)域。

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

  課題組主頁：http://yanglab-dna.com/