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天津大学仰大勇课题组: 生物高分子/质粒DNA复合微球
应用于环境水文多污染源示踪

2020-06-27
近期，天津大学化工学院仰大勇教授课题组在化学工程
与技术学科国际权威期刊《
Chemical Engineering
Journal
》上发表关于DNA示踪剂在环境水文污染源示

踪方面的最新成果。该研究以质粒DNA为模板，采用生
物高分子进行物理保护，并添加磁性纳米颗粒增强其回
收能力，所制造的DNA示踪剂具有极高的检测灵敏性和
特异性，为环境水文多污染源的示踪提供了新思路。相
关成果已申请中国发明专利，并在河道污染源探测中进
行示范应用。天津大学化工学院博士后廖人宽、硕士研
究生张姣姣和硕士研究生李涛涛为共同第一作者。该研
究得到国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助
支持。

图 1. 聚乳酸/质粒DNA复合微球示踪剂的制造、应
用和检测过程
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近年来，污染物肆意向环境水体中排放，严重污染了水
资源，对生存环境和健康造成重大威胁。不同水体之间
通过渗流、抽提、灌溉等复杂水文地质过程和人为活动
发生相互交换，导致水环境中污染源的识别极为困难，
加大了水环境保护的难度。示踪系统可定位污染源，但
传统示踪剂（如卤化物）存在诸多问题和局限。比如，
天然示踪剂会与环境水体中的背景值相混淆；人造示踪
剂虽克服了环境背景值的影响，但种类有限，难以进行
多污染源示踪；应用多个示踪剂时，运移特性和降解速
率难以统一控制；当示踪剂应用于大尺度流域时，浓度
太稀会导致测试困难，而投入较高浓度的示踪剂则可能
会对环境造成潜在的污染和破坏。

DNA是存储和编码基因信息的重要生物大分子。从化学
角度来看，DNA的分子结构具有可设计性、多样性和多
功能性等优点。这些特性使得基于DNA分子来构建示踪
系统能够克服传统示踪系统存在的不足。例如，DNA分
子序列组合具有数量无限且独立可彼此区分、无环境背
景值影响、检测灵敏度高、运移和降解特性一致等诸多
传统示踪剂所不具备的优点，并且环境友好，十分适合
于研究复杂水文地质条件下的多污染源识别难题。

基于DNA分子的上述特性，他们以质粒DNA分子为模
板，通过大肠杆菌扩增DNA，以廉价的方法获得了大量
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目标DNA。在此基础上，进一步添加磁性纳米颗粒以增
强在水环境中应用的回收率（借助磁性回收装置）。最
后将质粒DNA和磁性纳米颗粒包裹在生物高分子（聚乳
酸）中进行物理保护。聚乳酸形成的微球漂浮在水面，
避免了示踪剂沉入水底，起到了很好的浓缩效果，且方
便收集。DNA示踪剂在极端环境条件（高温、高盐、高
紫外线和降解酶）中仍然能够发挥示踪作用。通过聚合
酶链式扩增反应，不同示踪剂之间彼此可区分且检测灵
敏度极高，理论上，收集到单个微球，即可准确检测出
信号。最后，通过模拟试验，提出了DNA示踪剂在真实
环境场景中的应用策略。该DNA示踪系统对于促进环境
示踪技术的发展起到了积极的推动作用，有望应用于环
境水文过程表征和水土环境评价及保护等领域。

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