バイオプロセスにおける危険な金属バイオアベイラビリティと毒性を迅速に評価するための全細胞バイオリーポーターアプリケーション

バイオプロセス中の重金属のバイオアベイラビリティと毒性を評価することは、グリーンバイオテクノロジーを進めるために重要です。重金属のバイオアベイラビリティを測定する全細胞のバイオリーポーターの能力がますます認識されています。この技術がバイオプロセスモニタリングに適用される利点はあまり研究されていません。ここでは、クラスとして重金属に使用されるカドミウムおよび鉛感受性バイオリーポーターの可能性を調査します。これは、バイオプロセスアプリケーションにとって大きな関心を持っています。Bioreporter Zntaを使用した8つの個別の重金属の生物学的利用能、および混合金属の生物学的利用能と毒性を評価しました。バイオプロセスサンプル中の重金属の生物学的利用能と毒性も評価されました。Znta Bioreporterが、それぞれ0.01、0.08、および0.5 mg・L-1未満の検出限界で亜鉛、ニッケル、およびコバルトの生物学的利用能を効果的に検出できることを初めて実証しました。検出限界は、WHO、米国環境保護庁、および中国の飲料水質基準の要件を満たしているため、このアプローチはバイオプロセスの重金属バイオアベイラビリティを監視するために合理的です。混合金属溶液のEC50（EC50として50％の濃度）値を示すZnta Bioreporterに対する混合金属溶液毒性の検出のために、生きた/死んだ毒性実験が行われました。廃水処理プラント、スラッジ処理プラント、キッチン廃棄物発酵プロセスからのサンプルを分析して、実験室の結果を拡張しました。この研究の結果は、バイオプロセスモニタリングにおけるバイオリーポーターテクノロジーの実用的な応用の可能性を確認しています。次に、このような実用的なアプリケーションの開発は、必要なレベルの商業化を達成するために鍵となり、バイオプロセスの監視におけるバイオリーポーターの日常的な使用をさらに実現可能にします。

Assessing heavy metal bioavailability and toxicity during bioprocess is critical for advancing green biotechnology. The capability of whole-cell bioreporters to measure heavy metal bioavailability has been increasingly recognized. The advantages of this technology being applied to bioprocess monitoring are less studied. Here we investigate the potential of a cadmium- and lead-sensitive bioreporter to be used for heavy metals as a class, which holds great interest for bioprocess applications. We evaluated the bioavailability of eight individual heavy metals with bioreporter zntA, as well as the bioavailability and toxicity of mixed metals. The bioavailability and toxicity of heavy metals in bioprocess samples were also evaluated. We have demonstrated for the first time that the zntA bioreporter can effectively detect the bioavailability of zinc, nickel, and cobalt with limit of detection lower than 0.01, 0.08 and 0.5 mg·L-1, respectively. The detection limits meet the requirements of the WHO, the U.S. Environmental Protection Agency, and the China drinking water quality standards, which makes this approach reasonable for monitoring heavy metal bioavailability in bioprocess. LIVE/DEAD toxicity experiments have been conducted for the detection of mixed metal solution toxicity to zntA bioreporter which shows an EC50 (as EC50, concentration for 50% of maximal effect) value of mixed metal solution is 3.84 mg·L-1. Samples from wastewater treatment plants, sludge treatment plants and kitchen waste fermentation processes were analyzed to extend upon the laboratory results. The results of this study confirm the potential for practical applications of bioreporter technology in bioprocess monitoring. In turn, development for such practical applications is key to achieve the necessary level of commercialization to further make the routine use of bioreporters in bioprocess monitoring feasible.