CN104678055B - 一种通过生物体离子分子流速判别气体安全性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明利用生物体在长期自然进化过程中形成的对环境中有毒有害物质的敏感性来判别气体的生物安全性。生命科学研究表明，生物对有毒有害物质的反应必然伴随有相关离子或分子流速的变化，因此通过比较溶入洁净空气的基准水源与溶入被测气体的被测水源中，生物体离子或分子的流速是否有明显改变就可以判断被测气体被吸入人体后的生物安全性的高低。本发明有效克服了传统方法可能漏检气体中有毒有害物质，以及不能表征气体中各种物质(包括有毒有害物质)相互作用引发的衍生毒害作用的缺陷。

Description

一种通过生物体离子分子流速判别气体安全性的方法
技术领域
本发明涉及一种通过生物体离子分子流速判别气体安全性的方法，是一种基于生物样品生理特征的生物检测方法，属于环境检测技术领域。
背景技术
空气是生命活动不可或缺的物质，与人体健康息息相关。对于可能会被吸入人体的气体的安全性，世界各国政府已经制订了大量强制性的检测标准或规范。目前的气体安全标准通过检测一系列可能危害人体健康的化学成分是否超过规定的阈值来判别气体的安全性。上述传统检测方法存在两个问题：一是被测成分难以涵盖所有可能危害人体健康的物质，往往造成漏检；二是如果被测气体中存在多种有害成分，有害成分之间可能发生相互作用使毒性增强，导致每种有害成分的含量都不超标但实际上被测气体被吸入人体后仍会危害人体健康。
近年来，对环境质量的生物检测方法日益受到重视。生物检测方法充分利用生物长期进化中形成的对环境的敏锐感知能力，通过生物体在被测环境中能否维持正常的生理状态来检验环境质量，有效规避了传统环境检测方法的弱点。
生物体能否维持正常的生理状态可通过多种指标来表征。流入或流出生物体的H+、Ca2+、O2等离子或分子的速度是反映生物体生理状态的重要指标，已经公开报道的非损伤微测技术可以实现测量活体生物样品的离子或分子流速。
因此，将被测气体溶入到水中，选择合适的生物样品和特定的离子或分子作为检测指标，就能够建立相应的生物检测方法，通过生物的生理状态来判别被测气体的安全性。由此获得的气体安全性通常称为气体的生物安全性。
发明内容
本发明在常温常压下采集一定体积的洁净空气，将其溶入等体积的生理盐水中，形成基准水源(针对不同类型的生物样品，生理盐水的浓度值优选按照已经公开的技术规范设定，例如哺乳动物样品为0.9％，两栖类动物样品为0.7％等。如果没有已经公开的技术规范，生理盐水的浓度统一设定为0.9％)；同样常温常压条件下采集一定体积的被测气体，将其溶入等体积的生理盐水中，形成被测水源。以具备生理功能的生物样品为测量样品，通过测量生物样品上某一离子或分子流入或流出速度的变化来间接判别气体的安全性。
本发明所述的生物样品，指具备生理功能的动物、植物或微生物整体样品以及取自动物、植物或微生物的已经离体但仍具有生物活性的器官、组织、细胞、(富集的)细胞器等各种类型的样品。所述的生物样品包括以不违背伦理的医学手段取自人体的细胞、组织等样品，不包括不具备独立生理功能的病毒样品。当生物样品处于病理状态时，其生理反应和正常状态下的生物样品会有差别，实施本发明时不建议选择病理样品。
本发明所述的离子分子，指所有与生物样品的生理活动存在关联的离子或分子，包括但不限于H+、Ca2+、Na+、K+、O2、植物生长素、谷氨酸等离子或分子。这些离子或分子以一定的速度流入或流出生物样品，该流速的值能够被非损伤微测技术检测到。
生物样品对水环境的变化非常敏感，环境成分的改变会迅速引起其生理状态的改变，而生理状态的改变会立即引起离子或分子流速的变化。
单个生物样品对有毒有害物质的耐受能力一般要低于人体的整体免疫能力。如果与由洁净空气形成的基准水源相比，在被测水源中生物样品的离子或分子流速没有明显变化，那么就能间接证明被测气体对人体而言是安全的；相反，若生物样品离子或分子流速有明显改变，则间接表明被测气体可能对人体有害。
尽管本发明基于先将气体溶入水中后再进行测量的间接方法，可能一些有害气体成分在水中的溶解量有限，但由于生物样品在长期自然进化过程中形成的对有毒有害物质的高度敏感性，仍能引起相关离子或分子流速的显著变化。另外，自然界中可能存在个别气体成分极难溶于水，但考虑到人体的内环境是水环境，根据生物学公知常识极难溶于水的物质无法在人体内产生生理作用，因而也不会危害人体健康。气体极难溶于水的特殊情况并不影响本发明的实用性。
通过水生生物离子或分子流速判别气体安全性的实验设计为：将具备生理功能的生物样品置于基准水源中静置培养24小时，之后测量生物样品某一离子或分子的流速数值，每6-8秒测量一个数据共测量10-20分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为基准水源流速值J1；随后将基准水源中的生物样品移入被测水源中静置培养5分钟，之后测量生物样品相同离子或分子的流速数值，每6-8秒测量一个数据共测量10-20分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为被测水源流速值J2；最后再将生物样品移回基准水源中静置培养5分钟，之后测量生物样品相同离子或分子的流速数值，每6-8秒测量一个数据共测量10-20分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为基准水源流速值J3；通过J1、J2和J3三个数值计算获得的气体安全指数GS10来判别被测气体的安全性。测量离子或分子流速的具体操作方法按照非损伤微测技术已公开的文件执行。
气体安全指数GS10的具体计算方法为：
GS 10 = 10 - [ | ( J 2 - J 1 ) / J 1 | × 8 + | ( J 3 - J 1 ) / J 1 | × 2 ] × 1 3 .
气体安全指数GS10的计算公式中的一些参数和基于GS10的气体安全性判别方法所设定的阈值是在实验数据的基础上由发明人根据经验进行创造性扩展获得的，这些参数和阈值本身无法直接从实验数据中取得。
GS10的数值范围为上限不超过10。若被测水源的GS10小于5，表明被测气体存在安全隐患，被人体吸入后可能危害人体健康。
本发明所使用的生物样品范围非常广泛，同一被测水源使用不同的生物样品进行测量时，测得的GS10的数值可能略有差异，但一般该差异不会影响对气体安全性结论的判别。为获得最准确的判别结论，当测得的GS10的数值在4.9-5.1范围内时，建议采用人体口腔上皮细胞为样品重新测量，以人体口腔上皮细胞获得的GS10数值作为判别基准。
通过生物体离子或分子流速判别气体安全性的方法，有效避免了传统检测方法漏检有毒有害物质、不能表征气体中各种物质(包括有毒有害物质)相互作用引发的衍生毒害作用等缺陷，操作简单易行，结果准确可靠，有利于节约人力物力成本。该方法适于在普通家庭大面积推广使用。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进一步做出说明，但本发明不局限于实施例。
实施例1：
生物样品检测甲醛气体的安全性。本实施例通过测量生物样品氧气(化学式O2)流速的变化来判别甲醛气体的安全性。
(1)选择水丝蚓(拉丁学名Limnodrilushoffmeisteri)整体为测量样品。水丝蚓是一种常见的淡水底栖生物，可用做鱼类的食饵。
在常温常压下将1升甲醛(CH3OH)气体溶于1升生理盐水中制成溶液，以此溶液为被测水源；将1升的洁净空气溶于1升生理盐水中，形成基准水源。将水丝蚓置于基准水源中静置培养24小时，之后测量水丝蚓整体氧气分子(O2)的流速数值，每6秒测量一个数据测量10分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为基准水源流速值J1，测得的J1值为27.35pmol/cm2·s；随后将基准水源中的水丝蚓移入被测水源中静置培养5分钟，之后测量水丝蚓整体O2的流速数值，每6秒测量一个数据共测量10分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为被测水源流速值J2，测得的J2值为561.78pmol/cm2·s；最后再将水丝蚓移回基准水源中静置培养5分钟，之后测量水丝蚓整体O2的流速数值，每6秒测量一个数据共测量10分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为基准水源流速值J3，测得的J3值为111.36pmol/cm2·s。
将以上J1、J2和J3的数值带入GS10的计算公式
GS 10 = 10 - [ | ( J 2 - J 1 ) / J 1 | × 8 + | ( J 3 - J 1 ) / J 1 | × 2 ] × 1 3
计算得到被测水源的GS10为-44.16，这表明甲醛气体存在安全隐患，被人体吸入后可能危害人体健康。上述结论与甲醛气体对人体健康具有危害的公知常识是一致的。
(2)选择人体口腔上皮细胞为测量样品。人体口腔上皮细胞的采集方法按照已经公开的医学实验规范进行。
实验方法同(1)，测得的J1、J2和J3的值分别为33.27pmol/cm2·s、686.14pmol/cm2·s和124.46pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为-44.16，同样表明甲醛气体存在安全隐患，被人体吸入后可能危害人体健康。
(3)选择拟南芥(拉丁学名Arabidopsisthaliana)成体的根尖为测量样品。拟南芥是植物学研究中最为常见的模式植物，根部是植物生理活动非常密集的部位，而根尖又是根部生理活动最为剧烈的区域。一般植物生理学研究均以根尖为测量部位。
实验方法同(1)，测得的J1、J2和J3的值分别为22.71pmol/cm2·s、465.04pmol/cm2·s和101.12pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为-44.24，同样表明甲醛气体存在安全隐患，被人体吸入后可能危害人体健康。
(4)选择小鼠(拉丁学名Musmusculus)大脑皮层组织为测量样品。小鼠是动物学和基础医学研究中非常常用的模式动物。本实验使用的大脑皮层组织为新鲜组织，即在实验前处死活体小鼠后从其脑部直接提取组织，以保证大脑皮层组织的良好活性。
实验方法同(1)，测得的J1、J2和J3的值分别为32.55pmol/cm2·s、672.46pmol/cm2·s和117.71pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为-44.17，同样表明甲醛气体存在安全隐患，被人体吸入后可能危害人体健康。
(5)选择酿酒酵母(拉丁学名Saccharomycescerevisiae)为测量样品。酿酒酵母是一种非常典型的单细胞真核生物，在食品工业中有广泛应用。
实验方法同(1)，测得的J1、J2和J3的值分别为5.81pmol/cm2·s、117.24pmol/cm2·s和34.23pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为-44.41，同样表明甲醛气体存在安全隐患，被人体吸入后可能危害人体健康。
实施例2：
生物样品检测氮气的安全性。本实施例通过测量生物样品氢离子(化学式H+)流速的变化来判别氮气的安全性。
(1)选择莱茵衣藻(拉丁学名Chlamydomonasreinhardtii)为测量样品。衣藻是广布于水沟、洼地或其它含微量有机质的小型水体中的水生真核单细胞生物，可供人食用，也可作为家禽的饲料。
在常温常压下将1升氮气(化学式N2)溶于1升生理盐水中制成溶液，以此溶液为被测水源；将1升的洁净空气溶于1升生理盐水中，形成基准水源。将莱茵衣藻置于基准水源中静置培养24小时，之后测量莱茵衣藻氢离子(H+)的流速数值，每7秒测量一个数据测量15分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为基准水源流速值J1，测得的J1值为40.73pmol/cm2·s；随后将基准水源中的莱茵衣藻移入被测水源中静置培养5分钟，之后测量莱茵衣藻H+的流速数值，每7秒测量一个数据共测量15分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为被测水源流速值J2，测得的J2值为42.67pmol/cm2·s；最后再将莱茵衣藻移回基准水源中静置培养5分钟，之后测量莱茵衣藻H+的流速数值，每7秒测量一个数据共测量15分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为基准水源流速值J3，测得的J3值为40.88pmol/cm2·s。
将以上J1、J2和J3的数值带入GS10的计算公式
GS 10 = 10 - [ | ( J 2 - J 1 ) / J 1 | × 8 + | ( J 3 - J 1 ) / J 1 | × 2 ] × 1 3
计算得到被测水源的GS10为9.87，即未发现氮气存在安全隐患。上述结论与氮气对人体无害的公知常识是一致的。
(2)选择大肠杆菌(拉丁学名Escherichiacoli)为测量样品。大肠杆菌是附生在人和动物的肠道中的最为常见的单细胞原核生物，绝大多数是无害的，但也有少数具有毒性可引起疾病。
实验方法同(1)，测得的J1、J2和J3的值分别为3.11pmol/cm2·s、3.26pmol/cm2·s和3.14pmol/cm2·s，计算得到被测水源的6S10为9.86，同样未发现氮气存在安全隐患。
(3)选择水稻(拉丁学名OryzaSativa)叶片为测量样品。水稻是非常常见的粮食作物，叶片是水稻光合作用最为强烈的部位，在光合作用过程中会有大量的氢离子流入。需要注意的是，水稻叶片表面存在蜡质层，直接使用非损伤微测技术测量完整的叶片无法得到数据，需要对叶片进行撕裂等处理，使得蜡质层下面的组织、细胞暴露出来。
实验方法同(1)，测得的J1、J2和J3的值分别为108.71pmol/cm2·s、113.54pmol/cm2·s和110.02pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为9.87，同样未发现氮气存在安全隐患。
(4)选择大鼠(拉丁学名OryzaSativa)肝脏为测量样品。和小鼠一样，大鼠也是动物学和基础医学研究中非常常用的模式动物。本实验使用的肝脏为新鲜器官，即在实验前处死活体大鼠后立即取出肝脏，以保证肝脏的良好活性。
实验方法同(1)，测得的J1、J2和J3的值分别为62.49pmol/cm2·s、65.24pmol/cm2·s和63.21pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为9.87，同样未发现氮气存在安全隐患。
实施例3：
生物样品检测装修后房屋室内空气的安全性。本实施例通过测量生物样品钙离子(化学式Ca2+)流速的变化来检测装修后房屋室内空气的安全性。本实施例选择鲫鱼胚胎、人体口腔上皮细胞、拟南芥根尖、大鼠肝脏、酿酒酵母五种生物样品，针对一间刚刚装修完毕的普通家庭住宅开展实验。
(1)鲫鱼(拉丁学名Carassiuscuvieri)胚胎实验结果。鲫鱼是我国非常常见的食用鱼类。鲫鱼的胚胎在发育过程中会有外界钙离子的流入协助其完成发育。本实验统一选择6日龄的鲫鱼胚胎作为样品。
在一间刚刚装修完毕的普通家庭住宅的房间内，按照常见的气体采集方法采集空气1升，在常温常压下溶于1升生理盐水中制成溶液，以此溶液为被测水源；将1升的洁净空气溶于1升生理盐水中，形成基准水源。将鲫鱼胚胎置于基准水源中静置培养24小时，之后测量鲫鱼胚胎钙离子(Ca2+)的流速数值，每8秒测量一个数据测量20分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为基准水源流速值J1，测得的J1值为25.18pmol/cm2·s；随后将基准水源中的鲫鱼胚胎移入被测水源中静置培养5分钟，之后测量鲫鱼胚胎Ca2+的流速数值，每8秒测量一个数据共测量20分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为被测水源流速值J2，测得的J2值为76.84pmol/cm2·s；最后再将鲫鱼胚胎移回基准水源中静置培养5分钟，之后测量鲫鱼胚胎Ca2+的流速数值，每8秒测量一个数据共测量20分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为基准水源流速值J3，测得的J3值为40.27pmol/cm2·s。
将以上J1、J2和J3的数值带入GS10的计算公式
GS 10 = 10 - [ | ( J 2 - J 1 ) / J 1 | × 8 + | ( J 3 - J 1 ) / J 1 | × 2 ] × 1 3
计算得到被测水源的GS10为4.13，这表明刚刚装修完毕的房间内的空气存在安全隐患，被人体吸入后可能危害人体健康。
上述房间自然通风60天后，再次按照上述方法进行测量，测得的J1、J2和J3的值分别为25.72pmol/cm2·s、49.32pmol/cm2·s和30.88pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为7.42，这表明房间内的空气安全隐患已经消除。
(2)人体口腔上皮细胞实验结果。实验方法同(1)。在刚刚装修完毕的房间内，测得的J1、J2和J3的值分别为14.37pmol/cm2·s、45.85pmol/cm2·s和15.03pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为4.13。这也表明刚刚装修完毕的房间内的空气存在安全隐患。
房间自然通风60天后，测得的J1、J2和J3的值分别为14.20pmol/cm2·s、27.83pmol/cm2·s和14.85pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为7.41。这也表明房间内的空气安全隐患已经消除。
(3)拟南芥根尖实验结果。实验方法同(1)。在刚刚装修完毕的房间内，测得的J1、J2和J3的值分别为10.66pmol/cm2·s、33.72pmol/cm2·s和12.31pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为4.13。这也表明刚刚装修完毕的房间内的空气存在安全隐患。
房间自然通风60天后，测得的J1、J2和J3的值分别为10.43pmol/cm2·s、20.07pmol/cm2·s和12.15pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为7.43。这也表明房间内的空气安全隐患已经消除。
(4)大鼠肝脏实验结果。实验方法同(1)。在刚刚装修完毕的房间内，测得的J1、J2和J3的值分别为20.94pmol/cm2·s、66.69pmol/cm2·s和22.31pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为4.13。这也表明刚刚装修完毕的房间内的空气存在安全隐患。
房间自然通风60天后，测得的J1、J2和J3的值分别为20.77pmol/cm2·s、40.65pmol/cm2·s和21.98pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为7.41。这也表明房间内的空气安全隐患已经消除。
(5)酿酒酵母实验结果。实验方法同(1)。在刚刚装修完毕的房间内，测得的J1、J2和J3的值分别为4.02pmol/cm2·s、12.80pmol/cm2·s和4.22pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为4.14。这也表明刚刚装修完毕的房间内的空气存在安全隐患。
房间自然通风60天后，测得的J1、J2和J3的值分别为3.95pmol/cm2·s、7.76pmol/cm2·s和4.09pmol/cm2·s，计算得到被测水源的GS10为7.40。这也表明房间内的空气安全隐患已经消除。

Claims (2)

1.一种通过生物体离子分子流速判别气体安全性的方法，其特征在于，常温常压下采集一定体积的洁净空气，将其溶入等体积的生理盐水中，形成基准水源；同样常温常压条件下采集一定体积的被测气体，将其溶入等体积的生理盐水中，形成被测水源；将具备生理功能的生物样品置于基准水源中静置培养24小时，之后测量生物样品某一离子或分子的流速数值，每6-8秒测量一个数据共测量10-20分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为基准水源流速值J1；随后将基准水源中的生物样品移入被测水源中静置培养5分钟，之后测量生物样品相同离子或分子的流速数值，每6-8秒测量一个数据共测量10-20分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为被测水源流速值J2；最后再将生物样品移回基准水源中静置培养5分钟，之后测量生物样品相同离子或分子的流速数值，每6-8秒测量一个数据共测量10-20分钟，将该段时间内获得的数据的平均值作为基准水源流速值J3；通过J1、J2和J3三个数值计算获得的气体安全指数GS10来判别被测气体的安全性。
2.根据权利要求1所述的通过生物体离子分子流速判别气体安全性的方法，其特征在于，所述的气体安全指数GS10的计算方法为：
GS 10 = 10 - [ | ( J 2 - J 1 ) / J 1 | × 8 + | ( J 3 - J 1 ) / J 1 | × 2 ] × 1 3 ;
GS10的上限不超过10；若被测水源的GS10小于5，表明被测气体存在安全隐患，被人体吸入后可能危害人体健康。
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