这里描述了一种快速多学科的快速多学科,用于早期检测蓝藻花和相关的氰毒素。它允许在24小时内在水样和有机基质(如双壳菌样本)中检测蓝藻和相关氰毒素。
使用快速检测策略 (FDS) 实现了对蓝藻和氰毒素的快速检测。只需 24 小时,就可解开水样和有机基质(如双壳提取物)中蓝藻和相关氰毒素的存在。FDS 将远程/近向传感技术与分析/生物信息学分析相结合。采样点通过包括遥感在内的三维物理空间中的多学科、多尺度和多参数监测进行选择。在实验室环境中对样品进行微观观察和分类分析,从而能够识别蓝藻物种。然后用有机溶剂提取样品,并用LC-MS/MS进行处理。 MS/MS 获得的数据使用在线平台全球天然产品社交(GNPS)进行生物信息处理,以创建分子网络。对这些网络进行分析,以检测和识别毒素,将质谱学获得的碎片光谱数据与 GNPS 库进行比较。这允许检测在同一分子网络中出现的已知毒素和未知模拟物。
在过去的15年里,蓝藻的盛开已经成为全世界的环境问题。蓝藻的盛开是由于名为蓝藻的微生物的过度生长。它们是一组引人注目的光合作用微生物,它们已经适应了各种环境,包括热带地区和极端寒冷的海水。它们以在水面上产生大花而闻名,特别是为了应对大量富集的营养物质,即所谓的富营养化过程3。
因此,蓝藻是水污染4、5、6的优秀生物指标。他们还可以产生广泛的天然化合物与有趣的药理学性质7,8。与蓝藻有关的环境问题是花本身。花可以阻挡阳光照射到水下草丛中,在水中消耗氧气导致鱼类死亡,产生表面污秽和气味,并干扰生物体的过滤喂养。
此外,更严重的是,在温度、养分(磷和氮)、阳光(光合作用)和水的pH度等因素的特定组合中,蓝藻的绽放会引发毒素的产生:因此,它们对人类和动物有害。研究最多的氰毒素类是由属微囊肿产生的。这些是环氧肽,以微囊素(MCs)的通用名称命名:微囊素-LR是研究最多的能够产生严重的肝毒性10。动物和人类可能因摄入受污染的饮用水或食物而接触到MC。世界卫生组织(WHO)建议将微细胞素-LR的总值0.001毫克/升作为准则11。然而,这仅与迄今被分离的100多个微囊中的一个变种(即MC-LR)有关。
先前报告的综合方法,如遥感与MALDI-TOFMS分析12、13、14、15,都集中在MC的浓度检测上。最近的方法使用低分辨率传感器,能够有效地检测只有大面积的开花:它们还能够只暴露有标准的毒素。此外,这些程序大多很耗时,而且时间是早期发现花期以防止或尽量减少安全问题的一个显著因素。这里提出的多学科战略提供了蓝藻开花和氰毒素的快速检测,后只有24小时16。
在名为MuM3的程序框架中,”三维(3D)物理空间中的多学科、多尺度和多参数监测“17、18、快速探测策略(FDS)结合了多种技术的优势:1)遥感检测绽放:2) 微观观察检测蓝藻物种:和 3) 分析/生物信息学分析,即基于LC-HRMS的分子网络,以检测氰毒素。结果在 24 小时内获得。
新方法有助于在短时间内监测广大沿海地区,避免大量采样和分析,并降低检测时间和成本。这一战略是研究和应用不同方法监测蓝藻及其毒素的结果,并结合了它们各自的优势。具体来说,对结果的分析, 来自使用不同的平台(卫星、飞机、无人机)和传感器(MODIS、热红外)进行遥感分析,例如用于识别蓝藻物种(显微镜、紫外线-维斯光谱学、16S分析)和毒素(LC-MS分析、分子网络)的不同方法方法,允许为特定和一般目的选择最合适的方法。在坎帕尼亚环境保护局监测方案框架内,在随后的坎帕尼亚海岸(意大利)监测运动中试验并验证了新方法。
图1:FDS策略。蓝藻和氰毒素快速检测策略概述。请单击此处查看此图的较大版本。
在过去的几年里,我们的团队测试并验证了几种不同的方法,这些方法可以解开水体和双壳体中蓝藻和蓝藻毒素的存在。新的发展战略代表了这些研究的结果。符合快速检测范围的最佳技术和工艺,聚集在一个独特的程序的帽子下,最大限度地提高每个步骤的有效性。目标面积、开花期和生长阶段是选择适当方法和技术的驱动力。
当蓝藻和氰毒素快速检测是重中之重时,战略被简化为将总数简化为四个主要步骤:(1) 首次调查的远程和近向传感和数据分析、站点的本地化以及开花模式和扩展的定义:(2) 引导抽样:(三)微观观察和分类分析:(4) LC-MS数据的化学分析和分子网络,用于水样去复制和细胞毒素的快速检测。
关于第一步,即使覆盖所有层次监测方法的所有层的完整平台链获得的数据可用性是恢复所分析场景完整愿景的最佳解决方案,通常只有一个信息层可以驱动区域调查行动,并有效地专注于热点进行现场采样操作。根据报告的经验,利用卫星、飞机、直升机、无人机获取数据,完全符合快速探测战略所需需求的解决办法是使用唯一的卫星产品。
此外,来自在低空飞行的平台(如飞机、直升机、无人机)执行的任务的信息层以极高的分辨率重述信息,但这些信息非常昂贵,还需要更多的时间来完成完整的获取过程,其中还包括飞行计划的定义和批准。
一旦选定了要取样点(第 2 步),分析/生物信息学分析(LC-MS 数据的分子网络)是快速去复制水样和快速检测氰毒素(步骤 3 和 4)的工具。16S计量分析至少需要2周的工作。此外,即使发现具有一般毒性的蓝藻物种,其毒素生产也未得到证明。出于同样的原因,微观观察本身不足以揭示有毒蓝藻的存在。当然,MS分析和分子网络有一定的局限性:如果感兴趣的化合物(如毒素)在应用条件下电化良好,如果它们有足够的量被检测出来,它们是相当有效的。为了已知的蓝藻毒素检测和监测,基于MS的分子网络实际上是一种更可靠、更可靠的技术。
因此,当需要快速检测蓝藻和相关氰毒素时,这种方法被证明是非常有用的:此外,通过这一战略,还可以量化蓝藻的开花和在空间和时间上的毒素,以防止健康社区的问题,可能由大蓝藻有毒开花。
The authors have nothing to disclose.
这项研究由”西库雷扎·萨尼塔里亚·德尔佩斯卡托(CRiSSAP)地区中心”在项目框架中资助,”阿提维蒂·试点迪·迪亚诺巴泰里·内拉·法西亚·科斯蒂埃拉·德拉地区坎帕尼亚”, 并与意大利坎帕尼亚地区环境保护局(ARPAC)合作,”梅佐焦尔诺动物园”/西库雷扎阿里门塔雷区(IZSM/ORSA),那不勒斯大学”费德里科二世”-兽医和动物生产系,阿纳斯塔西奥教授)。
10X Vitamin mix | Nicotinic acid 100 mg/100 mL; PABA 10 mg/100 mL; Biotin 1 mg/100 mL; Thiamine 200 mg/100 mL; B12 1 mg/100 mL; Folic Acid 1 mg/100 mL; i-inositol 1 mg/100 mL; Ca-pantothenate 100 mg/100 mL | ||
1-BuOH | Sigma-Aldrich | 33065.2.5L-R | |
BG11 stock solution | Na2EDTA 20 mg/L; Ferric ammonium citrate 120 mg/L; Citric acid·1H2O 120 mg/L; CaCl2·2H2O 700 mg/L, MgSO4·7H2O 1.5 g/L, K2HPO4·3H2O 800 mg/L, NiSO4(NH4)2SO4·6H2O (0.1 mM stock) 5 mL; Na2SeO4 (0.1 mM stock) 2 mL, Nitsch's Solution 20 mL | ||
Centrifuge | Hermle | Z36HK | |
CHCl3 | Honeywell | 32211.2.5L | |
H2O | Sigma-Aldrich | 34877.2.5L | |
Kinetex C18 cloumn | Phenomenex | ||
LTQ Orbitrap XL high-resolution ESI mass spectrometer coupled to a U3000 HPLC system | Thermo | ||
MeOH | Honeywell | 32213.2.5L | |
Microscope equipped with an OMAX 18 MP CMOS camera | Optech | Biostar B3 | |
Multiband camera | Intergraph DMC | ||
Nitsch's Solution | H3BO3 0.5 g/L MnSO4· H2O 2.28 g/L ZnSO4·7H2O 0.5 g/L CuSO4·5H2O 0.025 g/L COCl2·6H2O 0.135 g/L Na2MoO4·2H2O 0.025 g/L |
||
Refractomer mr 100 ATC | AQL | ||
SWBG11 medium | BG11 stock solution 50 mL/L; Instant Ocean 33 g/L; Water 950 mL/L 10X; Vitamin mix 100 µL/L |