PNAS：一种能检测藻类作物健康状况的新技术

加州大学圣地亚哥分校的化学家们开发了一种技术，用于监测藻类作物的健康状况。藻类作物是世界上最有前景的可持续产品来源之一，正在开发中，以应对源自化石燃料污染物和产品浪费的全球问题。

　　

   

   

图片:加州大学圣地亚哥分校开发的一项新技术使用化学电离质谱法在挥发性气体特征变化时提醒藻类种植者，使他们在受到污染生物的攻击时收获藻类作物。

来源:加州大学圣地亚哥分校

众所周知，训练有素的狗可以利用它们敏锐的嗅觉识别爆炸物、违禁品甚至某些疾病。从机场到公共建筑，自动化这种检测技能在一系列环境中都很有用。

现在，加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的化学家们已经开发出一种技术，用于监测藻类作物的健康状况。藻类作物是世界上最有前景的可持续产品来源之一，正在开发中，以应对源自化石燃料污染物和产品浪费的全球问题。

正如10月1日发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的文章所描述的那样，一个由不同研究人员组成的小组——从本科生到高级教员——在能源部的一个项目中合作开发了一种实时测量技术，可以在藻类生物量损失方面节省数亿美元。从为汽车提供动力的新型生物燃料，到以生物可降解聚合物为基础的可再生塑料(可消除海洋废弃物和超载的垃圾填埋场)，藻类被认为是未来可持续产品的关键。

“为了有足够的藻类来供应所有这些可再生材料——生物燃料、生物塑料和营养物质——我们需要找到增加藻类产量和产量的方法，”《美国国家科学院学报》论文的资深作者、加州大学圣地亚哥分校化学和生物化学系的罗伯特·波默罗伊(Robert Pomeroy)说。Pomeroy和论文合著者Ryan Simkovsky领导了这项技术的开发。“保持藻类健康是一种方法。我们承受不起损失这些作物的损失。”

培育藻类最具经济竞争力的方法是在大型“回旋”池塘中培育微小的水生生物。然而，这种开放的生物量生产，使它们的生长容易受到一系列微小的池塘入侵者的污染。以藻类为食的传染性微生物包括病毒、细菌和真菌，它们可以在数小时内摧毁藻类作物。

加州大学圣地亚哥分校的研究小组开发了一种评估挥发性气体的新方法，挥发性气体是微生物过程释放的有机化合物。利用加州大学圣地亚哥分校金伯利·普拉瑟教授实验室开发的仪器，研究人员设计了一种自动化的方法，利用化学电离质谱法(CIMS)对挥发性气体进行实时测量，这种方法以前曾用于医学、国防和禁毒执法。

该技术通过跟踪藻类在生长和开花周期中释放的挥发性气体，持续监测藻类的正常健康状况。当入侵的生物或捕食者攻击并引起压力时，就会导致挥发性气体特征的变化。利用CIMS，科学家们展示了他们可以立即检测到干扰，并提醒藻类种植者采取行动拯救收获。

“如果你知道有一个攻击作物,从昆虫和细菌,然后你可以减轻损伤或拔掉插头和收获之前有任何伤害,“幽灵说Mike Burkart化学家和生物学家史蒂夫·梅菲尔德工作的时候发现21世纪食品和燃料计划。。“细菌生来就会攻击和吃掉藻类，它们的增长是指数级的。你可能某天还好，有漂亮的绿藻，但第二天就会变成一团棕色的泥泞。所以这并不是说小麦减产10%，而是一夜之间就失去了整个藻类作物。”

研究人员在他们的实验中指出，CIMS系统比传统的监测方法(包括显微镜和荧光)早37到76小时检测到感染微生物的放牧污染。我们将进行更多的研究，进一步发展CIMS在藻类领域的应用。

普拉瑟教授是国家科学基金会(NSF)气溶胶对环境化学影响中心(CAICE)的创始主任，该中心是国家科学基金会(NSF)的化学创新中心。

“在CAICE，我们的主要目标之一是开发独特的在线分析方法，以检测生物和环境系统中的复杂混合物，”普拉瑟说。“这是一个很好的例子，说明了为测量气相海洋排放而开发的质谱技术现在如何被用于解决社会相关性问题。在环境和健康领域，这些在线质谱测量可以用于解决具有挑战性的问题，有无穷无尽的应用。”

研究人员指出，CIMS可以用于监测其他有价值来源的健康，包括奶酪、啤酒、单克隆抗体和某些实验室培育的肉类，所有这些都容易受到感染微生物的攻击。

DOI

10.1073 / pnas.2106882118

文章标题

Continuous measurements of volatile gases as detection of algae crop health