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生物气溶胶的采集、监测与灭活 ———访北大环境科学与工程学院要茂盛研究员
Date:2015-12-14 Number:Size[ Big Medium Small ]

 

利用等离子体灭活生物气溶胶示意图




要茂盛研究员在汶川大地震废墟采样


  “PM2.5”,是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物。PM2.5的值越高,就代表每立方米空气中这种颗粒的含量越高,空气污染越严重。2012年2月,国务院同意发布新修订的《环境空气质量标准》中增加了PM2.5监测指标。生物气溶胶也是PM2.5的一部分,主要包括细菌、真菌、病毒以及致敏花粉、过敏原、毒素等,具有传染性、致敏性等特点。
  最近,笔者采访了北大环境科学与工程学院的要茂盛研究员。要博士是北京大学生物气溶胶实验室的负责人,自2007年以罗格斯大学(Rut-gersUniv.)博士、耶鲁大学(YaleUniv.)博士后的学术背景被北京大学“百人计划”项目引进以来,一直从事生物气溶胶的研究。
 
生物气溶胶采样
 
  研究生物气溶胶的第一步就是对其采集,相关效率直接影响检测的结果。要茂盛过去从生物气溶胶采样器采集效率不确定性出发,指出了生物气溶胶的采集效率取决于三个重要参数:切割点、干燥效应、机械损伤。研究指出对于不同的采样器,随着切割点的减小,物理采集效率增加,但同时机械损伤和干燥效应增加,生物气溶胶被嵌入培养基的几率大增。这些研究为未来采样器的设计提供重要参考资料。此外,课题组也研发了把便携式高流量(100L/min)生物气溶胶采样器和基因扩增结合起来监测生物气溶胶的技术,为快速检测低浓度生物气溶胶提供了方案。
  要茂盛早在读博士期间就开展了利用静电场采集生物气溶胶的研究,研究表明研制的静电场采样器克服了金标采集方法BioSatge在生物撞击和嵌入上的不足、降低了气压差引发的能耗,取得了比国际金标液体采集器BioSampler高达5倍以上的采集效率,这给微生物的暴露分析带来了显著的进步。要茂盛来到北大后继续开展了相关深入研究,利用基因扩增的手段克服了光学计数器不能区分生物与非生物的缺陷,指出了实验室里空气化的大部分(>93%)的细菌携带10至40个基本单位电荷,为今后改进静电采样器提供了科学依据。最近的另一项研究将静电场采样、样品自动传输和生物传感器集成,获得对病毒气溶胶70%以上的采集效率,为病毒气溶胶的在线监测奠定了基础,相关研究成果获国家发明专利。静电采样主要是利用生物气溶胶携带的电荷在静电场下受到静电场力而被采集的原理,课题组还将生物气溶胶静电场采样与先进的分子生物/生化技术(如基因扩增和酶联免疫实验方法)相结合,研究了空气中的过敏原与毒素,为空气中的生物危害提供更好的评估。
  人类也是生物气溶胶的重要来源,过去要茂盛课题组研发了高效、快速的呼出气生物气溶胶采集技术,主要通过低温处理后的超疏水膜将呼出气快速冷凝成小液滴,利用该方法在2分钟内可采集约100微升呼出气冷凝液,相关工作申请了国家发明专利。通过基因扩增和硅纳米线生物传感器有效地检测到了呼出气中的流感病毒。课题组研制的呼出气采集技术相对于目前市场上采集装置如RTube(耗资几十到几千美金)具有成本低(不到10元)、简单、无创和快速等优点,能够有力推动呼出气冷凝液在疾病诊断上的应用。这些针对不同源生物气溶胶采集的研究为生物气溶胶的有效监测奠定了基础。
 
生物气溶胶监测
 
  在生物气溶胶领域某些方面,过去一个多世纪虽然取得了突破性进展,但真正意义上还没有很好地实现生物气溶胶的在线监测。继911事件和炭疽菌事件后,美国耗资650多亿开发生物气溶胶的在线监测系统,但在生物物种实时甄别上还存在着挑战,因而在应对大规模生物恐怖主义袭击方面的力量仍不充分。要茂盛早在2007年就将生物气溶胶静电场采样、微流控和硅纳米线生物传感器集成来实现生物气溶胶的在线监测的研究思路发表在《科学》(Science)电子版上。
  在生物气溶胶监测方面,要茂盛课题组在国家的支持与许可下,从2008年5月21至6月9日在四川汶川大地震灾区执行了空气中细菌、病毒、毒素监测的工作。利用高流量的生物气溶胶采集器及明胶过滤膜,课题组对灾区的一些高风险区的空气进行了监测。灾区监测工作不仅为灾区防疫工作提供了技术支持,而且形成了一套流动的空气生物污染应急监测系统。课题组四川疾病监测的工作在国家自然基金的首页以重点新闻的方式展示,这项研究将实验室技术应用在震后灾区的疾病监测,为突发公共生物事件包括生物恐怖提供了技术方案与应对策略,文章发表后也受到了美国防战部队科研人员的关注。
  然而,在汶川大地震灾区生物气溶胶疾病监测过程中,由于缺乏一种在线监测技术,监测效率受到人力、物力的限制。在863子课题的资助下,课题组具体地展开了利用高浓缩静电场采样器、硅纳米线生物传感器和微流控技术在线监测空气中流感病毒的研究。与设想的相符,当静电场采集到的空气样品中有流感病毒时,修饰到硅纳米线上的流感病毒抗体和病毒相结合导致了硅纳米线导电性变化,这个微小的变化通过前置放大器和锁相放大器将信号放大并在电脑等可视平台上实时显示,从而实现了生物气溶胶的在线监测。研究结果表明病毒浓度每增加10倍,硅纳米线导电率增加20%-30%,这为该系统的定量监测提供了依据。研究结果还表明,当空气中有流感病毒时整个系统在1-2分钟内就可检测到硅纳米线导电性的变化,且明显高于环境参考值,相关检测信号可通过无线网络传输发送到手机,为生物气溶胶的实时报警研发了新的技术,研究成果发表在环境科学领域权威刊物《环境科学技术》(EnvironSciTechnol)上。同时,基因扩增研究结果也证实了当静电场采集的样品中含有较高浓度的病毒时,硅纳米线的导电性也偏高,检测限可达104个病毒/升。目前课题组已经研制了同时监测两个硅纳米线器件的系统,这为在线监测空气中多种致病原提供了技术基础与平台。
  相对于目前的生物气溶胶在线监测系统(U-VAPS),硅纳米线生物传感系统廉价、实时,而且系统基于抗原抗体的特异性结合具有物种甄别的功能。此项研究免去了传统生物气溶胶监测过程中的繁琐步骤(如在汶川大地震工作中的采样和基因扩增等),将生物与抗体结合的反应转化为电导信号,解决了在生物气溶胶实时监测上物种甄别与定量的科学难题,为生物气溶胶的监测创建了一种新方法,研究成果被《化学观察》(ChemistryViews)转载报道。该项研究在生物预警和国防军事反恐、反生物战上具有很大的潜在应用价值。
  在环境生物气溶胶监测的基础上,课题组开展了利用硅纳米线生物传感器快速检测呼出气中流感病毒的研究。在经过稀释100倍的呼出气冷凝液中,课题组利用硅纳米线生物传感器瞬间检测到了流感病毒。通过与金标方法RT-qPCR的对比,课题组发现对于由基因扩增确认为阳性或阴性的样品,硅纳米线生物传感器也同样得到对应的阳性或阴性信号。通过利用氧化损伤生物标志物及非生物颗粒,课题组发现硅纳米线生物传感器具有很好的特异性,且在每微升呼出气冷凝液中可以检测到约30个流感病毒。该项研究也表明硅纳米线生物传感器经阴性样品对照和标准校正后,可以直接用于临床流感病毒的快速诊断。
  流感病毒检测的国际金标方法基因扩增(PCR)(发明者于1993年获得诺贝尔奖)在检测时,样品DNA提取和扩增常需要1.5小时-2小时,而硅纳米线生物传感器只需要两分钟(包括呼出气采集),且具有与RT-qPCR相当的检出率。这项研究较金标方法将流感诊断时间降低了2个数量级,为流感快速诊断筛查创建了新技术。该项技术的产业化有望革新目前流感(如H3N2和H1N1等)的诊断筛查技术,降低和减少相关经济和生命财产损失。这些快速监测的研究不仅实现了预警和快速无创疾病诊断,而且同时也为生物气溶胶灭活控制决策提供依据。
 
生物气溶胶灭活
 
  虽然过去诸多研究开发了不同的生物气溶胶灭活技术包括紫外线、热气流和微波辐射等,但是在灭活效率上依然存在着挑战。要茂盛早在攻读博士学位期间就研究了利用静电场灭活微生物的方法,近三年课题组在生物气溶胶的灭活控制方面继续开展了一些原创性的研究包括利用碳纳米管过滤膜、微波辐射。另外,针对废水处理时生物气溶胶释放的风险,课题组也研究了利用零价纳米铁去除水体中细菌的研究。最近课题组与北大工学院张珏副教授也开展了利用低温等离子体灭活生物气溶胶的研究,研究成果发表在《环境科学技术》。
  合作研究显示低温等离子体只需0.06秒就可以灭活空气中约95%的细菌,而热气流(350-400℃)约需要0.1秒-0.3秒、单极离子发射和光催化约需要10分钟、紫外线需要10分钟以上。因而课题组研发的低温(<60℃)等离子体较目前的其它灭活技术在同等灭活效率上将灭活时间约缩短一个数量级,这在生物气溶胶灭活效率上是一个质的飞跃,该项研究为保障空气的生物安全提供有力的技术支撑。课题组研究还表明低温等离子体产生了高浓度强氧化基(如OH-等),通过氧化还原对化学污染物(如HC和NO等)也具有很好的去除效率,这一特点是其它微生物灭活技术没有实现的。零价纳米铁传统地用于化学污染物的降解,但近年来日益被用来处理微生物,课题组为最早开展相关研究的小组之一。课题组的研究表明纳米铁不但对微生物有很好的灭活效果,而且通过纳米铁吸附、磁性分离可以实现7个log的大肠杆菌去除效率,研究也指出了零价纳米铁灭活细菌的相关机理:灭活取决于生成的Fe2+、Fe3+浓度与细菌种类。课题组的灭活研究为保障空气的生物安全提供了新的技术方案。