一种用于微生物暴露于气态污染物中的装置

本发明属于环保，具体涉及用于微生物暴露于气态污染物中的装置。

背景技术：

1、空气污染造成的健康风险一直是全球最紧迫的环境问题之一。2021年，世界卫生组织发布了最新的《全球空气质量准则》(aqg 2021)，强调了复杂的空气污染问题与一系列非传染性疾病之间的重要联系。这些疾病包括但不限于慢性呼吸系统疾病、神经系统疾病、心血管疾病、免疫系统疾病。因此，迅速和经济地了解人们居住的空气环境的潜在毒性变得势在必行。

2、目前，直接气态污染物暴露的毒性效应研究大都以小鼠为模型。这种评估方式十分耗时，并且依赖于复杂和昂贵的分析，例如宏基因组学和代谢组学。而且很难消除小鼠个体差异对结果的影响。还有一些研究者通过构建3d细胞模型系统来研究气态污染物的毒性效应。但这种技术仍然存在一些问题，包括高成本、复杂的操作、严格的暴露环境和不稳定的毒性反馈。因此，目前关于气态污染物的毒性效应的检测尚处于实验室研究阶段，不能应用于基于健康效应的空气质量监督和商业检测中。而将某些对毒性具有天然敏感性的微生物，或者一些经过构建具有特定毒性响应基因通路的重组微生物，在毒性检测中具有成本低，毒性响应快速和毒性反馈稳定的优点。但因为这些微生物无法直接暴露于空气中，目前尚未在气态污染物的毒性检测中应用。

技术实现思路

1、针对上述技术空白，本发明目的在于提供一种用于微生物暴露于气态污染物中的装置，以实现气态污染物毒性的低成本、快速、高通量检测。

2、本发明提供的用于微生物暴露于气态污染物中的装置，包括：两个减压进气管，一个t字型气体混流管，一个多孔暴露盘，一个加压出气管；其中：

3、所述两个减压进气管，用于通入气态污染物，其结构为喇叭形，其小端为进气口，大端设有螺纹；两个减压进气管大端直径与t字型气体混流管中横管的左右两端直径匹配，两个减压进气管大端分别与t字型气体混流管的左右两端通过螺纹相接连；

4、所述暴露盘，设置于t字型气体混流管的垂直管段中，为均匀分布有若干个孔道的圆盘体，每个孔道中设置有四个梯形支钉，用于支撑固定有微生物的水凝胶微球(也称微生物的水凝胶微球)，使水凝胶微球悬浮在孔道中；所述孔道用于提供气态污染物与水凝胶微球的接触环境；具体地，气态污染物通过两个减压进气管持续流入，进入暴露盘中的孔道，均匀地吹扫在水凝胶微球表面，使污染物在水凝胶微球表面附着、累积并向内扩散，从而使得固定在水凝胶微球内的微生物能够接触到气态污染物。若干个孔道中，可以放置固定不同类型微生物的水凝胶微球，形成阵列，用以同时检测多种毒性指标。t字型气体混流管中的垂直管段部分与内部对应的暴露盘构成暴露舱。

5、本发明中，采用喇叭形减压进气管，可以在流量不变的情况下降低气流流速和压力，以协助t字型气体混流管将气流均匀分布到整个管道中；并且，两端气体进入后在t字型气体混流管中部相互对冲形成湍流并改变气流方向，确保t字型气体混流管的垂直管段任意截面上任意位置气体流速和压力相同，继而保证通过多孔暴露盘上每个孔洞的气体流速压力一致。

6、所述加压出气管，用于排放气态污染物，其结构也为喇叭形，其大口端直径与t字型气体混流管的垂直管段的直径匹配，两者通过螺纹连接；加压出气管与减压进气管作用相反，t字型气体混流管的垂直管段尾端的加压出气管管径从大到小逐渐减少，除保证与其他设备连接管管径统一之外，在出口处形成一定压力，保证气流在暴露盘下端的均匀性和稳定性。

7、进一步地，为使两个减压进气管与t字型气体混流管的两端连接稳固，两个减压进气管连接部分别设计成正螺纹和反螺纹。

8、进一步地，所述孔道数量可为10-30个，孔道直径为6-10mm。微生物水凝胶微球的直径小于孔道直径，例如为4-8mm。

9、进一步地，所述暴露盘可以有多个，上下依次螺纹连接，多个暴露盘之间可以相互连接形成多层暴露集合，可成倍增加放置的水凝胶球数量，以实现高通量的微生物气态暴露。所述多个，具体数量可根据实际需要确定，具体如2-4个。

10、本发明的实施例中，t字型气体混流管的横管左右两端直径的为30mm；喇叭形减压进气管的进气口小端管径为6mm，逐步放大到大端管径为30mm；t字型气体混流管的垂直管段直径为30mm；喇叭形加压进气管的大端管径为30mm，逐步缩小到管径为6mm。

11、本发明的实施例中，孔道数量为17个，孔道直径为8mm。微生物水凝胶微球直径为6mm。

12、本发明设计的装置，其主体部件可采用经过镜面抛光处理的不锈钢制成。

13、本发明提供的装置的使用方法，具体步骤如下：

14、(1)制备微生物水凝胶微球；将微生物培养在溶解有1.5％海藻酸钠的培养基中3-4h，至od600大于0.1后通过蠕动泵以1.5ml/min的速率均匀滴入1.5％氯化钙溶液中，得到微生物水凝胶微球；取出放置于培养基中备用；

15、(2)根据检测需求，在标记有孔道编号的多孔暴露盘中，依次装入固定有不同种类微生物的水凝胶微球；

16、(3)将多孔暴露盘通过螺纹连接至t字型气体混流管垂直段下端，并连接上加压出气管。所有螺纹连接处加装硅胶密封圈以保证整个暴露舱的密封性；

17、(4)将暴露舱安装到高通量vocs原位暴露毒性检测系统或高通量大气颗粒物原位暴露毒性检测系统，气态污染物以0.3-2.0l/min的流量从两端的减压进气管进入暴露舱；

18、(5)持续通入气态污染物15-60min，然后通入洁净空气8-10min，以彻底驱除系统中残留的气态污染物；取下多孔暴露盘，将水凝胶微珠依次移入96孔板中，使用酶标仪读取各孔道中微生物水凝胶小球荧光型号的变化。

19、本发明的减压进气管和增加进气管均通过10mm金属管道与高通量vocs原位暴露毒性检测系统或高通量大气颗粒物原位暴露毒性检测系统其他部件连接。

20、本发明中气态污染物流量以0.5l/min为佳，最高不宜超过2.0l/min，以避免微生物水凝胶小球在高流速气流的吹扫下快速失水，继而导致固定微生物死亡。

21、本发明中气态污染物的最短暴露时间不宜低于15min，最长暴露时间不可超过60min，优选20-30min。

22、本发明的有益效果在于：

23、本发明构建的用于微生物暴露于气态污染物中的装置，通过海藻酸钙水凝胶将具有天然敏感性的微生物或者具有特定毒性响应基因通路的重组微生物快速固定为水凝胶微球后，装配到暴露舱多孔暴露盘中，生物微球在密闭孔道中呈半悬浮状态。装配完成后，气态污染物被均匀的引入多孔暴露盘的每个孔道中，持续吹扫生物微球，在生物微球表面附着、累积并向内扩散，实现不同类型微生物的同步气态暴露。相比于传统的液体暴露毒性检测方法，在暴露舱的强化作用下微生物对同种污染物的急性毒性(ic50)灵敏度提升了3-5个数量级。多孔道和多层暴露盘叠加的设计，使得暴露舱可以同时装配多个固定有不同微生物的水凝胶为球，实现不同微生物在相同空气污染物中的高通量同步暴露。高通量同步暴露过程中各层暴露盘，各孔道气流量、流速、气态污染物暴露量均匀稳定，各层暴露盘、各孔道中微生物水凝胶为球表现出的毒性偏差不超过5％，且流量和气态污染物浓度的变化不会影响系统的稳定性。这使得日后通过原位的气态毒性响应进行空气质量监管成为可能，并可广泛应用于基于健康效应的环境风险评估当中。