抗生素滥用导致地表水和农田中大量抗生素残留，造成水土环境中抗生素抗性基因（ARGs）累积（Sun et al, 2020）。这些ARGs可通过基因迁移在水土环境中广泛传播，粘土矿物等共存物质也会影响此传播过程（Hu et al, 2020）。水土环境中ARGs迁移进入致病菌后，导致致病菌产生耐药性、增大致病风险，进而严重威胁人群健康和生态安全。鉴于水土环境抗生素污染现状及风险，亟需开发其快速有效的检测方法。全细胞生物传感器是一种新颖、廉价、可便携的微生物菌株，其携带的遗传物质含特异性响应元件，可感应信号分子的浓度变化，并有望适用于多种复杂环境。
南京农业大学资源与环境科学学院高彦征教授团队构建了具有响应四环素浓度变化的全细胞生物传感器菌株E. coli DH5α/pMTGFP、E. coli DH5α/pMTmCherry等，这些细菌可感受四环素浓度变化、并产生荧光蛋白或β半乳糖苷酶。通过荧光强度或酶活性检测，可量化体系中四环素类抗生素浓度（图1）。利用两种携带荧光蛋白基因的敏化生物传感器细胞、96微孔板和酶标仪，构建了可快速、高通定量检测水和土壤中四环素类抗生素的方法（Ma et al, 2020a）。E. coli DH5α/pMTGFP和E. coli DH5α/pMTmcherry的方法检出限分别为7.58~10.2和5.32~7.85 μg/L，线性范围为75~2500和75~7500 μg/L。此类生物传感器具备开发为一种快速、高通定量试剂盒的潜力，有望应用于水土环境样品中四环素类抗生素的快速批量检测。
图1 全细胞生物传感器定量检测水土环境中四环素类抗生素
图2 便携式试纸半定量检测水土环境中四环素类抗生素
利用含β半乳糖苷酶基因作为报告基因的E. coli BL21/pMTLacZ生物传感器菌株和滤纸条（1×4 cm），制备了全细胞生物传感器便携式试纸，构建了试纸检测的比色卡和检测方法（图2）（Ma et al, 2020b）。该检测方法对水和土壤中四环素类抗生素的检测限分别为5.23~17.1和5.21~35.3 μg/L，线性范围为75~10000和75~7500 µg/L。研制的生物传感器试纸可以对目标样品中可提取态四环素含量进行可视化的、快速、简便和剂量依赖性的半定量检测，有潜力开发为可应用于现场分析的便携式工具。
研究成果以“Whole-cell paper strip biosensors to semi-quantify tetracycline antibiotics in environmental matrices”和“A Fast and easily parallelizable biosensor method for measuring extractable tetracyclines in soils”为题，分别发表在Biosensors and Bioelectronics 和Environmental Science & Technology 期刊上，相关技术获国家发明专利授权（专利号2019104953470和201910491417）。该研究受到国家自然科学基金项目（41925029）资助。
论文链接
Hu et al. ES&T Letters. 2020（Cover）：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.0c00311.
Ma et al. ES&T. 2020a（Inside cover）：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.9b04051.
Ma et al. Biosen. Bioelectron. 2020b：
https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112528.
Sun et al. Soil Biol. Biochem. 2020：
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107965.
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