本文描述了对采样滤膜中大气生物颗粒物的两种互补分析方法:内毒素的提取与检测,以及DNA的提取与检测。
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本文描述了对采样滤膜中大气生物颗粒物的两种互补分析方法:内毒素的提取与检测,以及DNA的提取与检测。
室外气溶胶研究通常使用滤膜采集的颗粒物。该方法可对采集到的颗粒物进行多种并行表征。本文所述方法的目的是对从滤膜提取的生物气溶胶中的内毒素和DNA含量进行高精度、高可靠性的分析。从采样滤膜中提取高分子量有机分子(如脂多糖)的过程包括将样品在无热原的水基介质中振荡。后续分析基于可利用浊度测定法检测的酶促反应。由于采样滤膜上有机物含量较高,样品中DNA的提取采用一种最初为土壤设计并经改进以提高DNA得率的商业DNA提取试剂盒。文中描述了利用定量聚合酶链式反应(q-PCR)分析检测和定量特定微生物种类的方法,并将其与其他可用方法进行了比较。
使用滤膜进行空气采样是大气气溶胶研究的基本工具。1 采集的滤膜是开展所收集环境颗粒物多种化学、物理及生物表征的起点。2-11 这种方法的优势在于,可对同一样品进行多种离线分析。整合所有不同分析的数据,有助于研究人员充分了解所采集颗粒物的特性,并推动解决大气科学中的复杂问题。12,13 例如,可对同一时期采集的海洋和内陆空气样本在颗粒物毒性及生物组成方面进行比较。14 本研究从近岸及内陆采样点采集的滤膜中提取了革兰氏阴性菌细胞壁组分脂多糖(LPS)(亦称内毒素),并采用鲎试剂变形细胞溶解物(LAL)检测法进行评估。同时,利用定量聚合酶链式反应(q-PCR)对同一样品中的细菌组分(总细菌、革兰氏阴性菌及蓝藻)进行基因组分析。LAL检测法基于向样品中加入美洲鲎变形细胞的水提取物后所形成的浊度进行测定。 Limulus polyphemus,加入含有内毒素的水溶液中。样品中内毒素浓度越高,浊度发展越快。15 q-PCR 分析基于在特异性 DNA 片段扩增过程中发出的荧光信号。16 通过在PCR反应指数扩增阶段实时监测信号,并利用标准曲线进行校准,可定量初始DNA含量。结合其他分析方法(详见 elsewhere)的这两种分析14 可以较好地估计样本中内毒素的水平及来源细菌的数量。
本文所述方法的目的是对从滤膜中提取的生物气溶胶中的内毒素和DNA含量进行高度准确且可靠的分析。尽管气溶胶的物理和无机化学特性采样方法已广为人知,近年来也已发展出用于研究其有机成分的方法17,但针对气溶胶中生物组分的研究仍十分有限18。本方法的提出旨在弥补这一空白,详细阐述一种用于提取、分析和鉴定空气中气溶胶生物组分的可靠技术14。
本文所述方法预计将在涉及滤膜分析的室内外生物气溶胶研究项目中得到广泛应用。20-24
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注意:本实验方案中使用的所有材料和仪器的详细列表见材料部分。
1. 滤膜上的空气采样
2. 内毒素分析
注意:使用70%乙醇对工作台面进行消毒,并仅使用无热原的离心管、枪头和试剂。若使用玻璃器皿,需在250 °C预加热30分钟,或在200 °C加热60分钟25。所有试剂均需在II级生物安全柜中配制,并始终佩戴手套和实验服进行操作。
| 试管 | 最终内毒素浓度 (EU ml-1) | 标准内毒素体积 (ml) | 无热原水体积 (ml) | 总体积 (ml) |
| Ed0 | 2,500 | stock solution* | 5 | |
| Ed1 | 1,000 | 80 (来自 Ed0) | 120 | 200 |
| Ed2 | 100 | 20 (来自 Ed1) | 180 | 200 |
| Ed3 | 50 | 10 (来自 Ed1) | 190 | 200 |
| Ed4 | 25 | 5 (来自 Ed1) | 195 | 200 |
| Ed5 | 12.5 | 2.5 (来自 Ed1) | 197.5 | 200 |
| Ed6 | 6.25 | 1.25 (来自 Ed1) | 198.75 | 200 |
| Ed7 | 3.125 | 6.25 (来自 Ed2) | 193.75 | 200 |
| Ed8 | 1.563 | 6.25 (来自 Ed3) | 193.75 | 200 |
| Ed9 | 0.781 | 6.25 (来自 Ed4) | 193.75 | 200 |
| Ed10 | 0.391 | 6.25 (来自 Ed5) | 193.75 | 200 |
| Ed11 | 0.195 | 6.25 (来自 Ed6) | 193.75 | 200 |
| 空白 | 0 | 0 | 200 | 200 |
| * 按照生产商说明书配制储备液。 | ||||
表1:内毒素标准曲线。 针对标准曲线中的每个稀释管,列出了内毒素浓度、需加入的标准内毒素体积和无热原水体积,以及最终获得的总体积。

图1:内毒素检测阵列板。 96孔微量滴定板中内毒素分析阵列的一个示例。
3. 基因组分析
注意:进行DNA提取时,需使用70%乙醇对工作台面进行消毒,并仅使用无菌离心管、枪头和试剂。进行DNA的q-PCR分析时,需使用表面DNA去污染剂对工作台面进行消毒。所有试剂均应在II级生物安全柜中配制,并始终佩戴手套和实验服操作。
| A- 标准细胞稀释系列的制备 | ||||
| 试管 | 最终细胞浓度(细胞 ml-1) | 标准细胞体积(ml) | 无核酸酶水体积(ml) | 总体积(ml) |
| Od0 | 使用血细胞计数板确定 | |||
| Od1 | 应稀释至 107 细胞 ml-1 范围 | 20 | ||
| Od2 | 10-1 Od1 | 2 份 Od1 | 18 | 20 |
| Od3 | 10-2 Od1 | 2 份 Od2 | 18 | 20 |
| Od4 | 10-3 Od1 | 2 份 Od3 | 18 | 20 |
| Od5 | 10-4 Od1 | 2 份 Od4 | 18 | 20 |
| Od6 | 10-5 Od1 | 2 份 Od5 | 18 | 20 |
| Od7 | 10-6 Od1 | 2 份 Od6 | 18 | 20 |
| Od8 | 10-7 Od1 | 2 份 Od7 | 18 | 20 |
| 空白 | 0 | 0 | 20 | 20 |
| B- DNA 标准曲线的制备 | ||||
| 试管 | 最终 DNA 浓度(mg ml-1) | 标准 DNA 体积(ml) | 无核酸酶水体积(ml) | 总体积(ml) |
| Dd0 | 使用 NanoDrop 测定 | |||
| Dd1 | 应稀释至 101 mg ml-1 范围 | 20 | ||
| Dd2 | 10-1 Dd1 | 2 份 Dd1 | 18 | 20 |
| Dd3 | 10-2 Dd1 | 2 份 Dd2 | 18 | 20 |
| Dd4 | 10-3 Dd1 | 2 份 Dd3 | 18 | 20 |
| Dd5 | 10-4 Dd1 | 2 份 Dd4 | 18 | 20 |
| Dd6 | 10-5 Dd1 | 2 份 Dd5 | 18 | 20 |
| Dd7 | 10-6 Dd1 | 2 份 Dd6 | 18 | 20 |
| Dd8 | 10-7 Dd1 | 2 份 Dd7 | 18 | 20 |
| 空白 | 0 | 0 | 20 | 20 |
表2:DNA标准曲线。 标准微生物细胞稀释系列(A),列出了各稀释管中标准细胞体积、无核酸酶水(NFW)体积及总体积的详细信息。DNA标准曲线制备(B),列出了各稀释管中标准DNA体积、无核酸酶水(NFW)体积及总体积的详细信息。
| 参数 | 详细信息 | 备注 |
| 检测方法 | 定量水解探针 | |
| 热循环条件 | ||
| 初始变性与酶活化 | 95 °C 下 10 分钟 | |
| 变性 | 95 °C 下 15 秒 | 重复 45 次 |
| 退火与延伸 | 60 °C 下 60 秒 | |
| 板阵列 | ||
| 标准曲线 | Dd1 - Dd8 | 每个稀释度在顶部 3 行的第 1–8 孔中重复 3 次 |
| 无模板对照(NTC) | 无核酸酶水(NFW) | 在顶部 3 行的第 9th 孔中重复 3 次 |
| 待分析样品 | 从滤膜提取的 DNA | 每个样品在其余孔中重复 3 次 |
| 引物组 | 每孔一个 | |
| 样品体积 | 10 ml |
表3:q-PCR操作软件的设置详情。 需输入至q-PCR程序文件中的分析参数详情。
| 试剂 | 每反应体积 (ml) | 反应数 | 误差余量 (5%) | 总混合液体积 (ml) |
| Taq 聚合酶混合液 | 5 | 50 | 52.5 | 262.5 |
| F 引物 (10 mM) | 0.5 | 50 | 52.5 | 26.25 |
| R 引物 (10 mM) | 0.5 | 50 | 52.5 | 26.25 |
| 无核酸酶水 | 3 | 50 | 52.5 | 157.5 |
| DNA — 1 ml 将直接加入 96 孔板中的目标孔内。 | ||||
表4:定量PCR反应体系配制计算。 列出了每个反应的体积、反应数量、误差余量以及每种试剂需加入反应体系的总体积。
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通常使用对采样滤膜的“离线”分析来研究大气气溶胶(见图2)。32 对采样物质的化学分析包括有机成分(例如 蛋白质、碳氢化合物分子、糖类)和无机成分(例如 金属、盐类)。生物学分析包括可存活与不可存活微生物的含量、利用DNA方法或显微镜进行物种鉴定,以及基于DNA的定量分析。

图 2:滤膜样品分析流程图。 空气采样后的滤膜(A),滤膜的制备以用于后续分析...
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本研究描述了从滤膜上采集的气溶胶样品中提取和检测内毒素及DNA以进行定量的实验方法。这些方法需要精确的操作流程,只要实验人员遵循本文所述的若干关键且重要的要点,即可轻松完成。
在内毒素检测步骤中,需注意裂解液黏度较高,移液时容易产生气泡。这些气泡难以去除,并会导致酶标仪读数发生变化。因此,应先将样品加入到微孔板中,待确认所有气泡完全消失后,再继续加入裂解液。为减少此步骤中气泡的形成,建议使用移液器时动作缓慢,在将裂解液排入微孔时不要完全压下移液器按钮。由于裂解液一旦加入内毒素提取物中反应即刻开始,因此必须尽快启动读数程序。为缩短裂解液添加时间,可使用多通道移液器。请注意,某些试剂盒和实验方案中,在样品加入微孔板后,还需在37 °C下预孵育10分钟29,之后才能加入裂解液。
环境样品中内毒素提取的一个重要问题是样品中可能存在抑制物例如 在高污染空气样本中,稀释变得至关重要,可防止未稀释样本中通常出现的假性增强现象。38
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢魏茨曼科学研究所化学系的 Yoav Barak 博士提供的支持与建议。本研究由以色列科学基金会(资助号 #913/12)以及由德国联邦教育与研究部提供资金的明娜瓦基金会资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 滤膜采样 | |||
| HiVol 3000 - 高流量空气采样器 | Ecotech | ||
| 石英微纤维滤膜 | Whatman | 1851-865 | 203 mm × 254 mm |
| ELF - 实验室高温炉 | Carbolite | ELF 11系列 | |
| 铝箔 | Opal | ||
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 内毒素 | |||
| 乙醇 | Sigma Aldrich | 16368 | 实验室试剂,96% |
| Airstream Class II 生物安全柜 AC-4E1 | ESCO | 10011712 | |
| Pyrotell-T | Associates of Cape Cod, Inc. | T0051 | |
| 标准内毒素对照品 | Associates of Cape Cod, Inc. | E0005-1 | Escherichia coli O113:H10,0.5 µg/瓶,1 包 |
| LAL 试剂用水 | Associates of Cape Cod, Inc. | W0051 | |
| 10 ml 无菌注射器,带鲁尔锁接头 | Becton-Dickinson & Co. | 309605 | |
| BD Precisionglide 注射器针头 | Becton-Dickinson & Co. | 305129 | 无菌 |
| Parafilm-M 封口膜 | Parafilm | P7543 | Sigma 目录编号 |
| 微量离心管 | Axigen | MCT-200-C | 2 ml,无热原 |
| 1.12 cm 直径打孔器 | Boekel Scientific | 1601 BD 系列 - 钢制 | 打孔器套装的一部分,包含多种直径的打孔器。 |
| 50 mm 培养皿 | Miniplast Ein-Shemer | 72050-01 | 无菌 |
| Vortex Genie 2 | Scientific Industries, inc. | SI-0297 | |
| 微型离心机 5415 D | Eppendorf | 22621408 | |
| TC MicroWell 96 F SI 带盖板 | Nunc | 167008 | 平底孔(带盖,单独包装),无菌,无热原 |
| Synergy HT 多功能微孔板读板仪 | Biotek | 7091000 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| DNA | |||
| DNA away | Sigma Aldrich | 7010 | |
| 目标微生物物种的标准 DNA | ATCC 或其他菌种保藏中心 | 用于 DNA 提取的相应微生物菌株或已提取的 DNA | |
| 改进型 Neubauer 计数板 | Marienfeld | 640030 | 血细胞计数板 |
| TE 缓冲液,低 EDTA | Life Technologies | 12090-015 | 10 mM Tris-HCl (pH 8.0) 0.1 mM EDTA |
| 无核酸酶 PCR 级水 | Sigma Aldrich | 3315959001 | |
| PCR 引物 | Sigma Aldrich | 靶向目标微生物物种 | |
| 双标记探针 | Sigma Aldrich | 靶向目标微生物物种 | |
| 螺口管 | Axigen | ST-200-SS | 2 ml |
| PowerSoil DNA 提取试剂盒 | Mo Bio Laboratories | 12888-100 | |
| 玻璃珠,酸洗处理,425–600 µm | Sigma Aldrich | G8772-100G | |
| 玻璃珠,酸洗处理,<106 µm | Sigma Aldrich | G4649-100G | |
| PowerSoil Solution C1 | Mo Bio Laboratories | 12888-100-1 | 细胞裂解缓冲液,PowerSoil 试剂盒组分 |
| Magic Touch 冰桶 | Bel-Art | 18848-4001 | |
| Mini-Beadbeater-16 | BioSpec | 607EUR | |
| StepOnePlus 实时荧光定量 PCR 系统 | Applied Biosystems | 4376600 | |
| Fast SYBR Green Master Mix | Applied Biosystems | 4385612 | |
| TaqMan 基因表达 Master Mix | Applied Biosystems | 4370048 | |
| MicroAmp 快速光学 96 孔反应板(带条形码,0.1 ml) | Applied Biosystems | 4346906 | |
| MicroAmp 防溅 96 孔底座 | Applied Biosystems | 4312063 | |
| MicroAmp 光学粘性封膜 | Applied Biosystems | 4311971 | |
| 离心机 5810 R | Eppendorf | 5811 000.010 | 配备 MTP 桶的 A-4-62 转子 |
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