·研究背景：空气污染是全球主要的环境健康风险因素之一，迫切需要进行现场毒性评估。基于细菌的生物测定方法提供了成本效益高且快速的毒性评估方式。然而，这些生物测定方法在评估空气毒性时面临挑战，因为细菌直接暴露于空气污染物时生存和功能不稳定。
·研究目的：本研究开发了一种使用自组装被动定植水凝胶（SAPCH）的方法，用于现场空气毒性评估。SAPCH具有核-壳结构，能够在其壳上定量固定细菌，同时从其核心连续提供营养物质。该方法允许细菌在气-液界面直接暴露于空气污染物，从而实现对空气污染物的多终点毒性评估。
·主要发现：
a.SAPCH能够固定一系列天然和重组的发光细菌，实现对空气污染物的各种毒理学终点（细胞毒性、遗传毒性和氧化应激）的同时检测。
b.SAPCH的灵敏度比传统的液相毒性测试高3-5个数量级，并且能够成功评估挥发性有机化合物和燃烧烟雾的毒性。
c.SAPCH方法允许对空气污染物进行现场、快速、高通量和多终点的毒性评估，为未来空气质量监测和控制做出了重要贡献。
摘要
空气污染是导致环境健康风险的主要因素，迫切需要进行现场毒性评估。基于细菌的生物测定方法提供了成本效益高且快速的毒性评估。然而，这些生物测定方法在空气毒性评估中的应用一直具有挑战性，因为细菌直接暴露于空气污染物时其生存和功能不稳定。在这里，我们开发了一种使用自组装被动定植水凝胶（SAPCH）进行现场空气毒性评估的方法。SAPCH具有核壳结构，能够在其壳上定量固定细菌，同时从其核心持续提供养分。核与壳之间的抗菌多聚电解质层限制了细菌在空气-液界面的活动，同步了细菌的生存与暴露于空气污染物。SAPCH固定了一系列天然和重组的发光细菌，能够在2小时内同时检测空气污染物的各种毒理学终点（细胞毒性、遗传毒性和氧化应激）。其灵敏度比传统的液相毒性测试高出3-5个数量级，并且成功评估了挥发性有机化合物和燃烧烟雾的毒性。本研究提出了一种现场、快速、经济的空气污染毒性评估方法，为未来的空气质量监测和控制做出了重要贡献。
图文导读
构建策略
Fig. 1. Preparation of self-assembly passive colonization hydrogel (SAPCH) and the in situ gaseous exposure.Copyright application from ACS
本研究设计并构建了气体暴露系统，包含空气污染物收集、分配与循环、流量监控以及尾气处理模块。SAPCH-V和SAPCH-E置于3D打印的管状舱室中，舱室由T形气体混合管和多通道暴露板组成，可同时暴露多种携带不同发光菌的SAPCH微球，并通过四个支撑钉使微球悬浮并完全暴露在气体中。SAPCH微球具有自组装的多层核壳结构，壳层由生物相容性水凝胶组成，可容纳细菌生长繁殖。核心包含逐渐释放到壳层的营养物质，且壳层外暴露于空气污染，内部通过抗菌聚电解质层防止细菌向核心迁移。通过控制自组装时间，可精确调控壳层厚度和细菌数量，形成高度密集发光细菌群体，增强光学信号。水凝胶的透明度优化至78.28%，以确保光信号检测的灵敏度。
理化及生物性能
Fig. 2. Immobilization of bacteria on the SAPCH beads. Copyright application from ACS
SAPCH微球具有透明的三层核壳结构。核心具有较大的溶胀能力和较低的脱水倾向，而壳层则相反，因此导致壳层在稳定过程中因核心膨胀而首先收缩。化学结构分析表明SAPCH微球从内到外依次为：由明胶和壳聚糖（CHs）组成的交联水凝胶核心；CHs层；CHs与海藻酸钠的聚电解质层；钙海藻酸水凝胶外壳层。细菌通过钠海藻酸与Ca²⁺交联被动固定，并在核心持续释放的营养物质支持下存活和繁殖。空气吹扫后，壳层快速失水并收缩，细菌因此高密度固定于薄薄的水凝胶层，暴露于气液界面。荧光检测程序通过测量固定在壳层中细菌产生的光学信号变化，实现对空气污染物引起的特定基因毒性或氧化应激进行定量化评估。此外，SAPCH微球在合适条件下（37°C，70%湿度）可支持细菌存活繁殖24小时，并保持理想的机械强度。
性能测试
Fig. 3. In situ exposure and rapid toxicity assessment of VOCs.Copyright application from ACS
本研究开发了一种用于挥发性有机化合物（VOCs）气相暴露的毒性评估系统，能够同时检测细胞毒性（SAPCH-V）、基因毒性和氧化应激（SAPCH-E）等多个毒理学终点。首先，研究对气相和传统液相暴露下甲醛、苯酚、硫酸二甲酯（DES）和吡啶的细胞毒性进行了对比，结果显示气相暴露的半数抑制浓度（IC50）比传统液相检测方式降低3-5个数量级。此外，基因毒性评估表明，气相暴露下苯酚和DES引发recA基因途径的最低诱导浓度也大幅降低。这表明基于该系统的气相暴露灵敏性更高。在气相DES暴露下，定量检测到DNA修复、重组、转录及细胞分裂等基因的显著表达变化，且气相暴露还引发了特有的氧化应激反应，这是传统液相暴露未出现的现象。这表明该系统更为准确的表达了DES固有的遗传毒性特征。研究还验证了SAPCH微球的长期储存能力，显示即使在-20°C存储30天后，其毒性检测结果依然稳定。
暴露机理
Fig. 4. Mechanisms for rapid and sensitive toxicity assessment based on SAPCH immobilized with bacteria. Copyright application from ACS
通过对气态甲醛和苯酚的吸附和扩散实验，气态暴露的灵敏度大幅增加主要归结于SAPCH微球对气态VOCs的吸附和累积。不同气态VOCs灵敏度的提升可能归结于其在SAPCH微球上的吸附能力。吸附实验显示，甲醛迅速扩散至微球内部，而苯酚则主要积累在表面，扩散较慢。此外，多物理场耦合瞬态模拟显示，气态污染物在接触微球后迅速附着于壳层表面，并均匀扩散至整个壳层。而聚电解质层的低扩散能力则将污染物限制在了壳层中，进一步增强了SAPCH微球的毒性检测性能。接触角实验表明，壳层收缩后亲水性下降，表面粗糙度增加，物理吸附增强，促进了细菌与气态污染物的充分接触。
现场测试
Fig. 5. Application of the SAPCH-based approach for in situ exposure and rapid toxicity assessment of air pollution. Copyright application from ACS
将基于SACPH气态暴露系统用于燃烧源烟雾现场毒性测试，其中松木燃烧烟雾在低浓度下抑制了DNA损伤相关基因的表达，而在高浓度下显著诱导了氧化应激和DNA损伤。气态松木烟雾的遗传毒性和氧化应激的硫酸二甲酯当量浓度分别为4.29 μg/L和10.5 μg/L。相比之下，商业煤燃烧烟雾对毒性路径的影响较少，且其氧化应激和SOS响应分别仅为松木烟雾的51.18%和73.91%。这表明使用商业煤燃料比生物质燃料对健康风险的影响更小。
小结
本研究提出了一种基于SAPCH技术的简单暴露系统和毒性评估方法，能够固定多种自然和重组荧光细菌，同步检测数十种不同毒性途径下定量毒性效应。SAPCH方法实现了原位、快速、灵敏、高通量和多终点的空气污染毒性评估，且每个SAPCH微球的实验室成本低于0.01美元，具有很高的性价比。该方法为监管机构提供了一种直接评估空气污染毒性和健康风险的实用工具。当前该系统主要适用于高污染场景（如生物质燃烧和工业烟雾），在极低浓度的空气污染物评估中仍存在挑战，未来将通过集成强效空气富集技术来提升应用效果。此外，SAPCH的多功能性使其能够固定任何可培养细胞，并可构建为各种结构。这拓展了其在微生物空气暴露和机制研究等领域的应用潜力。
本项目得到了国家优秀青年科学基金、国家重点研发计划，以及上海市科学技术委员会和上海市科学技术委员会的资助。
论文DOI：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c04807
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