單細(xì)胞ICP-MS應(yīng)用：藻類吸附環(huán)境中重金屬

人類向環(huán)境排放的重金屬日益增多，不僅污染了土壤和水體環(huán)境，也給人類本身的健康造成極大的危害。傳統(tǒng)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(fèi)用昂貴。而藻類是一種非常有希望的替代方法，對(duì)重金屬吸附和富集能力較強(qiáng)，不產(chǎn)生二次污染，原料廉價(jià)易得分布廣。藻類吸附重金屬的研究，已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。
 

　　對(duì)藻類吸附重金屬的定量和定性研究，會(huì)使用到ICP-MS。目前，利用ICP-MS 對(duì)于細(xì)胞內(nèi)金屬含量的常規(guī)測(cè)定方法為：通過離心或過濾將細(xì)胞從其天然培養(yǎng)介質(zhì)中分離出來，再用新鮮介質(zhì)進(jìn)行清洗，然后用酸消解后上機(jī)檢測(cè)。采用這種方法可以得到一定數(shù)量細(xì)胞中金屬的總量，而無法獲得單個(gè)細(xì)胞的相關(guān)數(shù)據(jù)。只能通過假定所有細(xì)胞內(nèi)含有的金屬顆粒或離子濃度相同，通過計(jì)算獲得。
 

　　單細(xì)胞ICP-MS具有可以精確地對(duì)單個(gè)細(xì)胞中金屬離子或納米顆粒進(jìn)行定量的優(yōu)勢(shì)，一次性檢測(cè)的細(xì)胞數(shù)量也大于顯微鏡方法。可以用于監(jiān)控單細(xì)胞對(duì)金屬離子和納米顆粒的攝入和排出行為，從而改進(jìn)藻類吸附重金屬的方法，并對(duì)生物曝露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究和評(píng)估。
 

　　本文利用SC-ICP-MS 技術(shù)測(cè)定單個(gè)淡水中藻類(Cyptomonas ovata)對(duì)金離子和金納米顆粒的攝入行為。
 

　　樣品
 

　　細(xì)胞培養(yǎng)液的濃度為200,000 細(xì)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(jìn)行，以光照12 小時(shí)、黑暗12 小時(shí)為一個(gè)循環(huán)，循環(huán)三次，共72 小時(shí)。

 

　　藻類細(xì)胞在不同濃度的金離子濃度和金納米濃度溶液下暴露
 

　　測(cè)定時(shí)，取出1mL樣品，經(jīng)過下面的前處理后，進(jìn)行單細(xì)胞ICP-MS分析。

 

　　實(shí)驗(yàn)
 

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

 

　　NexION 2000 ICP-MS及實(shí)驗(yàn)條件
 

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

　　上圖顯示了隨著曝露時(shí)間的增加，含有金元素的細(xì)胞數(shù)量增加，同時(shí)含有多個(gè)納米顆粒的細(xì)胞數(shù)量也增加。單個(gè)60 nm 金顆粒對(duì)應(yīng)著約1800 ag，上圖(A)-(D)中，橫坐標(biāo)1700 ag 附近有一個(gè)很明顯的峰值，代表細(xì)胞內(nèi)含有一個(gè)納米顆粒(1NP/1C)。隨著曝露時(shí)間從2 小時(shí)(圖(A))到74 小時(shí)(圖(D))3400 ag 處和5200 ag 處出現(xiàn)了信號(hào)峰，代表細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)和三個(gè)納米顆粒(2NP/1C 和3NP/1C)。

 

　　SC-ICP-MS 的主要優(yōu)勢(shì)之一在于不僅能測(cè)定含有納米顆粒的細(xì)胞的數(shù)量，還能夠確認(rèn)含有一個(gè)或多個(gè)納米顆粒的細(xì)胞的比例。上圖顯示了不同培養(yǎng)液納米顆粒濃度中，含有不同數(shù)量納米顆粒的細(xì)胞的百分含量隨時(shí)間的變化情況。無論是隨著曝露時(shí)間的增加，還是培養(yǎng)液納米顆粒濃度增加(從200,000 到600,000 part/mL)， 含有1 個(gè)納米顆粒的細(xì)胞數(shù)量都增加。相同的趨勢(shì)也出現(xiàn)在培養(yǎng)液納米顆粒濃度為600,000 part/mL 時(shí)，含有兩個(gè)和三個(gè)納米顆粒的細(xì)胞數(shù)量。當(dāng)培養(yǎng)液濃度為200,000 part/mL 時(shí)，含有兩個(gè)及以上納米顆粒的細(xì)胞數(shù)量太少，其數(shù)量跟曝露時(shí)間的相關(guān)性不明顯。

 

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

　　實(shí)驗(yàn)中，還驗(yàn)證了Asperon ™單細(xì)胞霧室可保證細(xì)胞100%存活率，空白實(shí)驗(yàn)，以及驗(yàn)證納米顆粒存在細(xì)胞內(nèi)部等實(shí)驗(yàn)。
 

　　結(jié)論
 

　　本文介紹了SC-ICP-MS 在檢測(cè)藻類細(xì)胞內(nèi)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(yǎng)液的時(shí)間和培養(yǎng)液濃度的增加，含有一個(gè)納米顆粒的細(xì)胞比例增加；而含有2 個(gè)或3 個(gè)納米顆粒的細(xì)胞比例只在高培養(yǎng)液濃度(600,000 part/mL)時(shí)才隨時(shí)間而增加。與此相對(duì)，在金離子培養(yǎng)液中，隨著曝露時(shí)間和培養(yǎng)液濃度的增加，含有金的細(xì)胞數(shù)量有所增加，但每細(xì)胞中含有的金并沒有增加。
 

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