大咖面對面 丨細(xì)胞代謝組學(xué)新法 助力新污染物篩查和風(fēng)險評估
去年5月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《新污染物治理行動方案》，標(biāo)志著我國新污染物治理步入“快車道”。新污染物通常具有生物毒性、環(huán)境持久性和生物累積性等特點，它們在環(huán)境中主要以痕量/超痕量形式存在。因此，如何選擇高靈敏度和高選擇性的檢測技術(shù)，識別新污染物的毒性效應(yīng)，評估潛在環(huán)境風(fēng)險，從而更好地服務(wù)政府決策和企業(yè)生產(chǎn)成為一個重要課題。近日，分析測試百科網(wǎng)采訪了華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院鎮(zhèn)華君副教授，他分享了團(tuán)隊開展的新污染物環(huán)境風(fēng)險篩查和評估的研究工作，并評述了科學(xué)儀器在其中發(fā)揮的作用。
華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 鎮(zhèn)華君副教授
新污染物監(jiān)測的挑戰(zhàn)
從留學(xué)美國到加入華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，鎮(zhèn)華君持續(xù)致力于新污染物的生態(tài)效應(yīng)和健康風(fēng)險研究。他表示：美國的國家環(huán)境保護(hù)署是其主要化學(xué)品管理機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)審查在美國境內(nèi)流通的化學(xué)品對健康、安全和環(huán)境的影響，并預(yù)防未知風(fēng)險。
我國是化學(xué)品生產(chǎn)和使用大國，工業(yè)生產(chǎn)活動是新污染物的一個重要來源。新污染物在環(huán)境中大多以痕量/超痕量水平存在，對于分析儀器的性能要求較高，通常需要高靈敏、高選擇性的色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀甚至高分辨質(zhì)譜儀。目前，大部分的新污染物仍缺乏常規(guī)監(jiān)測，甚至缺少相應(yīng)的監(jiān)測方法標(biāo)準(zhǔn)；人們對工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生新污染物的來源、排放途徑以及在環(huán)境介質(zhì)中的傳播規(guī)律及毒性效應(yīng)的研究都尚不充分，這為我國新污染物治理帶來了諸多挑戰(zhàn)。
細(xì)胞代謝組學(xué)技術(shù)助力新污染物篩查和風(fēng)險評估
近期，鎮(zhèn)華君在Environmental Science & Technology上發(fā)表論文，將基于細(xì)胞代謝組學(xué)的實驗方法應(yīng)用于環(huán)境水質(zhì)安全評估。目前，大多數(shù)環(huán)境污染物的毒性數(shù)據(jù)仍有限，僅靠化學(xué)監(jiān)測方法無法有效評估污染物復(fù)合暴露產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險；而傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測采用的生物監(jiān)測方法，主要關(guān)注致死率等傳統(tǒng)毒理學(xué)指標(biāo)或其他單一的生物學(xué)評價終點，缺乏面向環(huán)境復(fù)合污染水體的綜合毒性評估技術(shù)。為此，課題組發(fā)展了聯(lián)合細(xì)胞體外暴露實驗和脂質(zhì)組學(xué)分析的研究方法，來評估污染物復(fù)合暴露對斑馬魚肝細(xì)胞的影響,并應(yīng)用于全美地表水的環(huán)境風(fēng)險篩查和評估。
聯(lián)合斑馬魚肝細(xì)胞體外暴露實驗和脂質(zhì)組學(xué)技術(shù)評估地表水水質(zhì)安全
Environmental Science & Technology 55 (2021)
鎮(zhèn)華君談到該研究遇到的三個關(guān)鍵問題：首先，如何采集到更豐富、更穩(wěn)定的小分子代謝物的質(zhì)譜信號？課題組通過優(yōu)化樣品的前處理過程、儀器條件和參數(shù)，解決了該問題。其次，如何處理采集到的大量質(zhì)譜數(shù)據(jù)？課題組開發(fā)了基于R語言的高分辨質(zhì)譜代謝組數(shù)據(jù)處理程序包。通過該程序包，可有效去除背景以及儀器波動所產(chǎn)生的信號干擾，從而保留有效的質(zhì)譜信號信息。第三，如何從發(fā)生變化的小分子代謝物的質(zhì)譜信號中，挖掘隱藏其后的生物學(xué)信息，進(jìn)而揭示環(huán)境污染暴露特征。在分析脂質(zhì)組學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)時，課題組通過充分的文獻(xiàn)調(diào)研和數(shù)據(jù)發(fā)掘鑒定出一些和特定亞細(xì)胞器相關(guān)的脂類生物標(biāo)志物。通過測定細(xì)胞中上述生物標(biāo)志物的豐度變化，揭示了污染物復(fù)合暴露對細(xì)胞線粒體、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、過氧化物酶體等亞細(xì)胞器產(chǎn)生的不良影響。
結(jié)緣賽默飛? 助推新污染物篩查與風(fēng)險評估研究
談到和賽默飛分析儀器的結(jié)緣，得從在美國環(huán)保署國家暴露研究實驗室開展博士后研究工作時說起。那時候，鎮(zhèn)華君所在實驗室有兩臺賽默飛質(zhì)譜，一臺是早期型號的Orbitrap靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜儀，另外一臺是TSQ三重四極桿氣質(zhì)聯(lián)用儀?！爱?dāng)時，我的工作是使用這兩臺儀器分析樣品，并負(fù)責(zé)儀器的日常維護(hù)。我對賽默飛產(chǎn)品最深刻的認(rèn)識就是功能先進(jìn)，尤其是Orbitrap質(zhì)譜儀的分辨率在當(dāng)時的行業(yè)處于領(lǐng)先地位?！辨?zhèn)華君說道。
賽默飛儀器給鎮(zhèn)華君的另一個印象是穩(wěn)定，俗話說就是“皮實耐用”。“有一個細(xì)節(jié)，當(dāng)時我們實驗室源源不斷地接收到從美國各地運送來的一些環(huán)境樣品以及生物樣本。為了按時完成這些樣品的分析，很多時候儀器需要長時間高負(fù)荷運行?！辨?zhèn)華君說道，“在大多數(shù)情況下，兩臺賽默飛質(zhì)譜儀都能較好地完成任務(wù)；在偶爾的一些時間段，當(dāng)儀器需要檢修或維護(hù)保養(yǎng)的時候，賽默飛工程師都能夠第一時間趕到，對儀器進(jìn)行功能檢測和故障排查，確保能盡快恢復(fù)正常運行?！庇辛诉@兩臺儀器的關(guān)鍵助力，鎮(zhèn)華君博士后期間的研究工作得以順利開展。
賽默飛Orbitrap Exploris 240 質(zhì)譜儀
回國之后，在學(xué)校和學(xué)院的支持下，鎮(zhèn)華君所在的國家環(huán)境保護(hù)化工過程環(huán)境風(fēng)險評價與控制重點實驗室、上海市環(huán)境保護(hù)化學(xué)污染物環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)險管理重點實驗室添置了賽默飛Orbitrap Exploris 240 質(zhì)譜儀，繼續(xù)圍繞新污染物的環(huán)境過程、效應(yīng)及風(fēng)險開展研究?！拔抑孕钠诖c賽默飛加強(qiáng)合作，深入開展新污染物的篩查和風(fēng)險評估研究，并共建更多新方法、新應(yīng)用。”
參考文獻(xiàn)
1、Untargeted Lipidomics for Determining Cellular and Subcellular Responses in Zebrafish (Danio rerio) Liver Cells Following Exposure to Complex Mixtures in U.S. Streams. Environmental Science & Technology, Volume 55, Issue 12, 15 June 2021, Pages 7757-8458.
2、Multi-omic responses of fish exposed to complex chemical mixtures in the Shenandoah River watershed. Science of The Total Environment, Volume 902, 1 December 2023, 165975
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