稻米是无机砷（iAs）的主要膳食来源，iAs是一种剧毒砷，会在稻米中积累，对以稻米为食的人群构成巨大健康风险。然而，目前可用于稻米iAs检测的方法比较少，因此迫切需要开发一种简单、经济、准确和高通量的稻米无机砷检测方法。

图1高通量稻米无机砷检测平台

近期，太阳集团官网汪鹏教授课题组开发了一种稻米iAs检测新方法（图1），利用天然微生物传感器E. coli AW3110 (pBB-ArarsR-mCherry) 结合淀粉酶水解提取砷形态，实现稻米中iAs的高通量和定量检测。本研究将该生物传感器制成了操作便捷的试剂盒，包括酶标板、α淀粉酶，以及生物传感器细菌冻干粉。生物传感器被制成冻干粉可以提高该方法的使用范围、延长保质期、简化操作步骤和缩短测试时间（图3）。用该试剂盒在12 h内能检测超过200个稻米样品，而常规方法HPLC-ICP-MS在同样的时间内仅能测定40个样品。

该生物传感器的传感系统来源于天然细菌砷抗性操纵子。微生物自诞生以来就一直生活在含砷环境中，并进化出了砷抗性ars操纵子，参与不同的砷解毒途径，比如ArsB为细胞As(III)外排蛋白，ArsC为As(V)还原酶，ArsM为As(III) S-腺苷甲硫氨酸甲基转移酶，ArsK为MAs(III)外排蛋白，ArsH为MAs(III)氧化蛋白。在没有As的情况下，ArsR蛋白与启动子上游的DNA结合区ABS结合，阻止ars操纵子转录。然而，在As存在的情况下，As(III)与ArsR蛋白结合，诱导其构象变化，从而降低ArsR蛋白对ABS的亲和力，ars操纵子的表达被激活。在本研究中，将mCherry基因连接到带有启动子的arsR基因（来源于对As(III)高灵敏的土壤细菌Arsenicibacter rosenii SM-1的ars操纵子）下游，并导入E. coli AW3110，mCherry基因的表达水平受ars操纵子的活性控制，与iAs浓度成正比，从而实现砷浓度信号到红色荧光蛋白mCherry的转换（图2）。该生物传感器对砷表现出高度特异性，只响应无机砷，不响应有机砷（图2），并通过调节检测体系中PO₄^3-浓度来区分亚砷酸盐[As(III)]和砷酸盐[As(V)]。

图2生物传感器对不同As形态的颜色响应

图3生物传感器冻干储存（a）和试剂盒测定稻米无机砷检测流程（b）

用该试剂盒测定了19个总砷浓度不同的稻米样品的iAs浓度，表现出出色的重现性和高信噪比，检测限低至16 μg kg^-1 [As(III)]和29 μg kg^-1 [As(V)]，这些值远远低于欧盟制定的婴儿稻米的最大允许水平（100 μg kg^-1）。这种简单的生物传感器试剂盒为检测食品样品中的iAs提供了一种很有前景的工具。

相关研究成果在国际权威期刊Analytical Chemistry上发表了题为" Natural microbial reactor-based sensing platform for highly sensitive detection of inorganic arsenic in rice grains"（2023）的论文，其中，博士生葛占标为论文第一作者，汪鹏教授为通讯作者，前沿交叉研究院陈明明副教授以及太阳集团官网黄科副教授、谢婉滢副教授和赵方杰教授也参与该研究工作。该研究得到了国家重点研发计划项目和江苏省重点研发计划项目的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c01857