利用帶有動物源化學受體的植物進行有機污染物的環境監測
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文章來源 : 農業科技決策資訊平台 2022-01-25
日本神戶大學生物訊號研究中心的研究人員已成功開發出「新植物」，可用於檢測土壤和水中的有機污染物註1，像是多氯聯苯及干擾內分泌的化學物質。此團隊由日本學術振興會(JSPS)博士後研究獎學金受獎者Petya Stoykova(現為歐洲保加利亞農業生物研究所研究員）、神戶大學名譽教授OHKAWA Hideo及INUI Hideyuki教授組成。他們接下來希望利用「新植物」來開發方便且實惠的毒性監測技術。這些研究成果被撰寫在兩篇論文中，並分別發表在6月29日的《植物生理學》期刊和7月22日的《Chemosphere》期刊。我們的環境周圍存在各種有機污染物。
眾所周知的例子包括用在螢光燈和無碳複寫紙的「多氯聯苯(PCB)」及「有機氟化物」，用於製造防水和耐食用油的東西，像是食品包裝和廚房用具；還有做為清潔劑及其他產品前驅物的「烷基酚」。這些有機污染物被釋放到大氣、河流和土壤中，無法被代謝或很難分解的成分被魚、牲畜和農作物攝入，導致這些污染物隨著營養階級上升而累積在我們體內。體內累積濃度增加會導致各種有害的影響，例如癌症、胎兒異常和產生免疫毒性。為了防止透過食物攝入的污染物在人體內積累，我們有必要監測環境中的污染物程度，包括水域系統(河流、湖泊、海洋)、魚類、大氣、土壤和作物。監測結果讓我們能夠了解一個區域中污染物的類型和濃度。這將提供我們採取適當的方法；舉例來說，檢測到地面污染的地方要避免種植農作物，並對河流中捕獲的受污染魚類進行污染測試。也就是說這將有助於我們選擇和衡量實行措施，來減輕污染物對人類的不良影響。
環境監測是對環境樣本中污染物類型及濃度的調查，而其中包含了很多步驟。舉例來說，如果要研究土壤樣品，需要先加入有機溶劑，加熱過夜後從土壤樣品中萃取出化學物質。然後將溶在有機溶劑的化學物質從土壤中去除，並加入濃硫酸去除色素沉澱。 因為樣品中有機污染物濃度很低，因此需要對萃取物進行濃縮，使其達到可以分析的濃度。接著將濃縮的萃取物通過多個分離管柱進行層析，並使用與各別污染物特性相對應的有機溶劑，將污染物從管柱中流洗出來。緊接著必須從樣品中去除雜質才能得到目標污染物。以上稱為純化。而這一系列步驟(萃取、濃縮和純化)統稱為前處理，一定要經過前處理才能分析樣品中的微量有機污染物。
最後，以氣相層析質譜儀(GC-MS)和液相層析質譜儀(LC-MS)等分析化學技術應用在經過「前處理」的樣品。透過分析污染物的光譜數據，可以確定樣品中污染物的類型(種化)和濃度(固定數量)。環境監測是依照各國官方的分析方式來進行，而且環境監測對有機污染物的識別和量化扮演關鍵的角色。但是前處理過程需要使用大量的硫酸和各式揮發性有機溶劑，而對操作這些前處理的人來說，暴露在這些化學藥品中是相當危險的。
因此，為了將環境樣本(經複雜前處理後)中發現的微量污染物轉化為可分析的樣本，需要更熟練的技術。另外，使用昂貴的儀器如GC/MS和LC/MS(成本可能在數十萬到數百萬美元之間)，增加了分析過程的成本。而且為了得到精準的污染度評估，必須採集大量的環境樣本。然而，由於現行(分析)方法的費用過高，只能分析少數具代表性的樣品。加上雖然儀器分析適用於確定環境樣本中，單一污染物的類型和濃度，但卻無法告訴我們這個污染物的毒性有多強。因此研究團隊開發了一種全然不同的監測方法，不像以前需要經前處理及昂貴設備才能確定環境樣本中污染物的類型和濃度。
動物體內有一類蛋白質稱為化學受體，它能辨識並阻止化學物質從體外進入細胞。當外來物質在細胞內與受體結合時，它會活化特定基因進行轉錄。此基因的蛋白質產物，其功能是與外來物質發生反應並將之排出體外。這類受體的其中一個例子是AhR(芳基烴受體)。在細胞內，AhR會與受污染食物中的戴奧辛及多氯聯苯結合。然後AhR會產生一種酵素，將它們(戴奧辛及多氯聯苯)轉化為易溶於水的物質，進而促使它們從體內排出。因此，AhR在顯示戴奧辛和多氯聯苯對動物是否有毒性這方面是重要的一環。除此之外，雌性激素受體(ER)會對動物體內產生的激素有反應，並參與形態發生及生長相關的重要基因表現。ER會與雌性激素「雌二醇」結合，並嚴格地調控基因轉錄活化的時間和數量，而蛋白質產物則受激素刺激而產生。但若ER與藉由食物或水進入體內的內分泌干擾物註2結合，就會破壞基因轉錄活化的時間及程度，從而產生不利的影響。
另一角度來看，植物一旦生根就無法移動，因此它們的根會在地面下開展，以獲得生長所需的養分。因為它們會持續延伸根部，所以即使(養分)在低濃度的情況下，它們也能夠吸收足夠的養分。換句話說，植物有能力累積由根部從土壤中吸收的化學物質。綜合以上，研究團隊因而提出了一種監測環境污染的方法，此方法需要將動物源化學受體轉殖進入植物，並使用它們來檢測植物所吸收的污染物質。他們分別設計了用於監測PCB(多氯聯苯)及內分泌干擾物的AhR植物和ER植物。當這些植物在含各別污染物的土壤及培養物中生長時，由根部吸收的污染物會與細胞內的受體結合，而活化報導基因註3的轉錄。
因此，可以經由檢測此報導基因產物來監測污染物。AhR植物可以檢測CB126(毒性最強的PCB)及其他類型如CB77、CB118。另一方面，ER植物除了可以檢測辛基苯酚(OP，一種烷基酚)之外，雌性激素17β-雌二醇、殺蟲劑芬普尼和益達胺及有機氟全氟辛烷磺酸(PFOS)等物質也可以被檢測出來。眾所周知的是這些化學物質正在污染土壤和水系統。研究團隊發現當污染物存在時，這些植物會表現出白化症和結構異常的現象，如較短的根。這表示可以用比檢測報導基因更簡單的「觀察法」來檢測污染物。根據研究結果顯示:收集大量的環境樣本來進行監測是不必要的，並且只要用少量土壤(幾克)或水(約10毫升)就可檢測出污染物。並且還可以利用化學受體檢測汙染物的方式，來調查環境樣本中是否含有毒性化學物質。對於有機污染物的環境監測，為了準確地了解污染程度，盡可能採集越多的樣本是非常重要的。但是因為這需要耗費大量的時間和金錢，所以無法在現行的檢測方法下分析大量樣本。相對而言，研究團隊開發出的方法簡單許多，只需要用少量樣本的土壤和水來栽培植物，並透過報導基因產物的檢測及植物生長的觀察來評估是否存在污染物。此外，它還可以評估現行檢測方法尚未涵蓋到的污染物之毒性。故在以現行分析方法確認污染物類型及濃度之前，這個新方法將會適合用於篩選大量的環境樣本。在這項研究中，研究人員證明了利用AhR和ER轉殖入植物來監測PCB及環境賀爾蒙是可行的。而且除了AhR和ER之外，動物還有其他化學受體。因此未來應該可以透過把不同類型的受體轉殖入植物，將新方法應用於其他化學物質的毒性監測上。【延伸閱讀】鑲嵌在葉片中的碳奈米管可檢測植物受傷時產生的化學訊號
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