·研究背景：空氣汙染是全球主要的環境健康風險因素之一🧑🏽‍🦳🚶🏻‍➡️，迫切需要進行現場毒性評估👩🏻‍🍼。基於細菌的生物測定方法提供了成本效益高且快速的毒性評估方式。然而，這些生物測定方法在評估空氣毒性時面臨挑戰，因為細菌直接暴露於空氣汙染物時生存和功能不穩定。

·研究目的🔚：本研究開發了一種使用自組裝被動定植水凝膠（SAPCH）的方法，用於現場空氣毒性評估。SAPCH具有核-殼結構，能夠在其殼上定量固定細菌🦹🏻‍♀️，同時從其核心連續提供營養物質。該方法允許細菌在氣-液界面直接暴露於空氣汙染物👨🏿‍🎨，從而實現對空氣汙染物的多終點毒性評估。

·主要發現👨‍👩‍👧‍👧：

a.SAPCH能夠固定一系列天然和重組的發光細菌🫸，實現對空氣汙染物的各種毒理學終點（細胞毒性👩🏼‍🔧、遺傳毒性和氧化應激）的同時檢測🕵🏽‍♂️。

b.SAPCH的靈敏度比傳統的液相毒性測試高3-5個數量級，並且能夠成功評估揮發性有機化合物和燃燒煙霧的毒性。

c.SAPCH方法允許對空氣汙染物進行現場、快速✅、高通量和多終點的毒性評估，為未來空氣質量監測和控製做出了重要貢獻。

摘要

空氣汙染是導致環境健康風險的主要因素，迫切需要進行現場毒性評估📧👵🏽。基於細菌的生物測定方法提供了成本效益高且快速的毒性評估。然而，這些生物測定方法在空氣毒性評估中的應用一直具有挑戰性⚰️🛞，因為細菌直接暴露於空氣汙染物時其生存和功能不穩定🙍🏼‍♀️。在這裏，我們開發了一種使用自組裝被動定植水凝膠（SAPCH）進行現場空氣毒性評估的方法🚹。SAPCH具有核殼結構😏，能夠在其殼上定量固定細菌，同時從其核心持續提供養分。核與殼之間的抗菌多聚電解質層限製了細菌在空氣-液界面的活動，同步了細菌的生存與暴露於空氣汙染物🧚🏿‍♀️。SAPCH固定了一系列天然和重組的發光細菌👩🏽‍🍳，能夠在2小時內同時檢測空氣汙染物的各種毒理學終點（細胞毒性🙋🏼‍♂️、遺傳毒性和氧化應激）。其靈敏度比傳統的液相毒性測試高出3-5個數量級，並且成功評估了揮發性有機化合物和燃燒煙霧的毒性。本研究提出了一種現場、快速、經濟的空氣汙染毒性評估方法，為未來的空氣質量監測和控製做出了重要貢獻。

圖文導讀

構建策略

Fig. 1. Preparation of self-assembly passive colonization hydrogel (SAPCH) and the in situ gaseous exposure.Copyright application from ACS

本研究設計並構建了氣體暴露系統🦬🧑‍🚀，包含空氣汙染物收集⬛️、分配與循環、流量監控以及尾氣處理模塊📵。SAPCH-V和SAPCH-E置於3D打印的管狀艙室中🫱🏼，艙室由T形氣體混合管和多通道暴露板組成，可同時暴露多種攜帶不同發光菌的SAPCH微球，並通過四個支撐釘使微球懸浮並完全暴露在氣體中。SAPCH微球具有自組裝的多層核殼結構👿，殼層由生物相容性水凝膠組成🫅🏿，可容納細菌生長繁殖。核心包含逐漸釋放到殼層的營養物質，且殼層外暴露於空氣汙染🚣，內部通過抗菌聚電解質層防止細菌向核心遷移🧞‍♀️。通過控製自組裝時間☔️，可精確調控殼層厚度和細菌數量◾️，形成高度密集發光細菌群體，增強光學信號。水凝膠的透明度優化至78.28%◽️，以確保光信號檢測的靈敏度🤰。

理化及生物性能

Fig. 2. Immobilization of bacteria on the SAPCH beads. Copyright application from ACS

SAPCH微球具有透明的三層核殼結構👮🏻‍♀️🔠。核心具有較大的溶脹能力和較低的脫水傾向，而殼層則相反，因此導致殼層在穩定過程中因核心膨脹而首先收縮。化學結構分析表明SAPCH微球從內到外依次為：由明膠和殼聚糖（CHs）組成的交聯水凝膠核心；CHs層🪰🧘🏻‍♀️；CHs與海藻酸鈉的聚電解質層👁‍🗨；鈣海藻酸水凝膠外殼層👩🏿‍🍳。細菌通過鈉海藻酸與Ca²⁺交聯被動固定，並在核心持續釋放的營養物質支持下存活和繁殖🤟🏻🤤。空氣吹掃後😘，殼層快速失水並收縮，細菌因此高密度固定於薄薄的水凝膠層，暴露於氣液界面。熒光檢測程序通過測量固定在殼層中細菌產生的光學信號變化，實現對空氣汙染物引起的特定基因毒性或氧化應激進行定量化評估。此外，SAPCH微球在合適條件下（37°C，70%濕度）可支持細菌存活繁殖24小時，並保持理想的機械強度。

性能測試

Fig. 3. In situ exposure and rapid toxicity assessment of VOCs.Copyright application from ACS

本研究開發了一種用於揮發性有機化合物（VOCs）氣相暴露的毒性評估系統，能夠同時檢測細胞毒性（SAPCH-V）🍐、基因毒性和氧化應激（SAPCH-E）等多個毒理學終點。首先🧘🏽‍♀️，研究對氣相和傳統液相暴露下甲醛、苯酚💁🏽‍♂️、硫酸二甲酯（DES）和吡啶的細胞毒性進行了對比，結果顯示氣相暴露的半數抑製濃度（IC50）比傳統液相檢測方式降低3-5個數量級。此外，基因毒性評估表明，氣相暴露下苯酚和DES引發recA基因途徑的最低誘導濃度也大幅降低📢。這表明基於該系統的氣相暴露靈敏性更高。在氣相DES暴露下，定量檢測到DNA修復🤦🏼、重組🪴、轉錄及細胞分裂等基因的顯著表達變化，且氣相暴露還引發了特有的氧化應激反應，這是傳統液相暴露未出現的現象🏚。這表明該系統更為準確的表達了DES固有的遺傳毒性特征。研究還驗證了SAPCH微球的長期儲存能力，顯示即使在-20°C存儲30天後，其毒性檢測結果依然穩定🧑🏼‍⚖️。

暴露機理

Fig. 4. Mechanisms for rapid and sensitive toxicity assessment based on SAPCH immobilized with bacteria. Copyright application from ACS

通過對氣態甲醛和苯酚的吸附和擴散實驗，氣態暴露的靈敏度大幅增加主要歸結於SAPCH微球對氣態VOCs的吸附和累積。不同氣態VOCs靈敏度的提升可能歸結於其在SAPCH微球上的吸附能力。吸附實驗顯示，甲醛迅速擴散至微球內部，而苯酚則主要積累在表面，擴散較慢🧑‍🌾。此外，多物理場耦合瞬態模擬顯示，氣態汙染物在接觸微球後迅速附著於殼層表面，並均勻擴散至整個殼層🙂。而聚電解質層的低擴散能力則將汙染物限製在了殼層中，進一步增強了SAPCH微球的毒性檢測性能。接觸角實驗表明，殼層收縮後親水性下降，表面粗糙度增加💇🏿，物理吸附增強，促進了細菌與氣態汙染物的充分接觸。

現場測試

Fig. 5. Application of the SAPCH-based approach for in situ exposure and rapid toxicity assessment of air pollution. Copyright application from ACS

將基於SACPH氣態暴露系統用於燃燒源煙霧現場毒性測試，其中松木燃燒煙霧在低濃度下抑製了DNA損傷相關基因的表達，而在高濃度下顯著誘導了氧化應激和DNA損傷。氣態松木煙霧的遺傳毒性和氧化應激的硫酸二甲酯當量濃度分別為4.29 μg/L和10.5 μg/L🧑‍⚖️。相比之下，商業煤燃燒煙霧對毒性路徑的影響較少，且其氧化應激和SOS響應分別僅為松木煙霧的51.18%和73.91%。這表明使用商業煤燃料比生物質燃料對健康風險的影響更小。

小結

本研究提出了一種基於SAPCH技術的簡單暴露系統和毒性評估方法，能夠固定多種自然和重組熒光細菌🟠，同步檢測數十種不同毒性途徑下定量毒性效應🧑🏿‍💼🫅🏽。SAPCH方法實現了原位、快速、靈敏、高通量和多終點的空氣汙染毒性評估，且每個SAPCH微球的實驗室成本低於0.01美元，具有很高的性價比🦸🏿。該方法為監管機構提供了一種直接評估空氣汙染毒性和健康風險的實用工具。當前該系統主要適用於高汙染場景（如生物質燃燒和工業煙霧）📋，在極低濃度的空氣汙染物評估中仍存在挑戰♐️，未來將通過集成強效空氣富集技術來提升應用效果🥡。此外🤷‍♂️，SAPCH的多功能性使其能夠固定任何可培養細胞，並可構建為各種結構。這拓展了其在微生物空氣暴露和機製研究等領域的應用潛力🫴🏼。

本項目得到了國家優秀青年科學基金、國家重點研發計劃，以及上海市科學技術委員會和上海市科學技術委員會的資助👩🏽‍🔧🟣。

論文DOI🗳：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c04807

供稿♿️：李丹課題組

編輯🤘🏿：潘翔宇

審核：張立武