單細胞ICP-MS應用：藻類吸附環境中重金屬

人類向環境排放的重金屬日益增多，不僅污染了土壤和水體環境，也給人類本身的健康造成極大的危害。傳統的治理水體中重金屬方法，如沉淀法、活性炭法、螯合樹脂法等，操作繁瑣，費用昂貴。而藻類是一種非常有希望的替代方法，對重金屬吸附和富集能力較強，不產生二次污染，原料廉價易得分布廣。藻類吸附重金屬的研究，已經成為一個熱點。
 

　　對藻類吸附重金屬的定量和定性研究，會使用到ICP-MS。目前，利用ICP-MS 對于細胞內金屬含量的常規測定方法為：通過離心或過濾將細胞從其天然培養介質中分離出來，再用新鮮介質進行清洗，然后用酸消解后上機檢測。采用這種方法可以得到一定數量細胞中金屬的總量，而無法獲得單個細胞的相關數據。只能通過假定所有細胞內含有的金屬顆粒或離子濃度相同，通過計算獲得。
 

　　單細胞ICP-MS具有可以精確地對單個細胞中金屬離子或納米顆粒進行定量的優勢，一次性檢測的細胞數量也大于顯微鏡方法。可以用于監控單細胞對金屬離子和納米顆粒的攝入和排出行為，從而改進藻類吸附重金屬的方法，并對生物曝露風險進行研究和評估。
 

　　本文利用SC-ICP-MS 技術測定單個淡水中藻類(Cyptomonas ovata)對金離子和金納米顆粒的攝入行為。
 

　　樣品
 

　　細胞培養液的濃度為200,000 細胞/mL，分別曝露于不同濃度的金離子和金納米顆粒(60 nm，NIST 8013)溶液中。藻類曝露過程研究在20 ℃下進行，以光照12 小時、黑暗12 小時為一個循環，循環三次，共72 小時。

 

　　藻類細胞在不同濃度的金離子濃度和金納米濃度溶液下暴露
 

　　測定時，取出1mL樣品，經過下面的前處理后，進行單細胞ICP-MS分析。

 

　　實驗
 

　　使用NexION 2000 ICP-MS，Asperon ™單細胞霧室， Syngistix ™操作軟件配備單細胞模塊。

 

　　NexION 2000 ICP-MS及實驗條件
 

　　實驗結果

 

　　上圖顯示了隨著曝露時間的增加，含有金元素的細胞數量增加，同時含有多個納米顆粒的細胞數量也增加。單個60 nm 金顆粒對應著約1800 ag，上圖(A)-(D)中，橫坐標1700 ag 附近有一個很明顯的峰值，代表細胞內含有一個納米顆粒(1NP/1C)。隨著曝露時間從2 小時(圖(A))到74 小時(圖(D))3400 ag 處和5200 ag 處出現了信號峰，代表細胞內出現了兩個和三個納米顆粒(2NP/1C 和3NP/1C)。

 

　　SC-ICP-MS 的主要優勢之一在于不僅能測定含有納米顆粒的細胞的數量，還能夠確認含有一個或多個納米顆粒的細胞的比例。上圖顯示了不同培養液納米顆粒濃度中，含有不同數量納米顆粒的細胞的百分含量隨時間的變化情況。無論是隨著曝露時間的增加，還是培養液納米顆粒濃度增加(從200,000 到600,000 part/mL)， 含有1 個納米顆粒的細胞數量都增加。相同的趨勢也出現在培養液納米顆粒濃度為600,000 part/mL 時，含有兩個和三個納米顆粒的細胞數量。當培養液濃度為200,000 part/mL 時，含有兩個及以上納米顆粒的細胞數量太少，其數量跟曝露時間的相關性不明顯。

 

　　為觀察細胞對金離子的攝入行為，藻類細胞被分別曝露于1、2、3 μg/L 金離子溶液中74 小時，曝露過程中，在第2、第28 和第74 小時對溶液取樣進行分析。無論培養液金離子起始濃度是多少，隨著時間的增加，每個細胞中含有金離子的平均值(ag/cell)都明顯下降。隨著曝露時間和初始金離子濃度增加，含有金的細胞百分比呈現增加的趨勢。這些數據說明，存在某種細胞作用機制，限制了細胞對金的攝入，而這種機制受培養液中金離子濃度的顯著影響。
 

　　實驗中，還驗證了Asperon ™單細胞霧室可保證細胞100%存活率，空白實驗，以及驗證納米顆粒存在細胞內部等實驗。
 

　　結論
 

　　本文介紹了SC-ICP-MS 在檢測藻類細胞內部金屬離子和納米顆粒含量的能力。隨著曝露在金納米顆粒培養液的時間和培養液濃度的增加，含有一個納米顆粒的細胞比例增加；而含有2 個或3 個納米顆粒的細胞比例只在高培養液濃度(600,000 part/mL)時才隨時間而增加。與此相對，在金離子培養液中，隨著曝露時間和培養液濃度的增加，含有金的細胞數量有所增加，但每細胞中含有的金并沒有增加。
 

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