Brug af mikroorganismer til hurtigt at overvåge vandkvaliteten

Forskere fra Singapore University of Technology and Design (SUTD) har demonstreret en teknologi, der hurtigt opdager forurenende stoffer i vand ved at måle deres indvirkning på svømmende mikroorganismer.

Deres proof-of-concept, udgivet i Videnskabelige rapporter , kræver ingen kemikalier, reagenser eller laboratorieudstyr. I stedet, det udnytter det almindelige kamera på en smartphone samt mikroorganismer kaldet Paramecia der er allestedsnærværende i vandområder - hvilket gør det særligt velegnet til at vurdere vanddrikkelighed i underudviklede områder.

Typisk, niveauer af miljøforurenende stoffer måles ved at vurdere deres indvirkning på en given befolkning. Selvom sådanne påvirkninger kan være synlige efter flere dage for mikroorganismer, det tager flere år for den sande skala at blive afsløret hos større dyr.

For at fremskynde disse målinger, forskere ledet af adjunkt Javier Fernandez ved Fermart Lab brugte en simpel computersynsmetode til at spore og måle virkningen af ​​forurenende stoffer på mikroorganismers adfærd. Specifikt, de brugte ændringerne i svømmehastigheden for Paramecium aurelia - en encellet organisme kan bevæge sig med overraskende hastigheder på mere end ti gange deres kropslængde i sekundet.

"Vi valgte Paramecia fordi de er allestedsnærværende i vandområder og store nok til at kunne ses med et normalt kamera, " forklarede Fernandez. "De er også hurtige svømmere, så små forskelle i deres svømmehastighed vil oversætte til store ændringer, gør dem nemme at måle."

Ved at spore svømmehastigheder og bevægelser af vandbårne Paramecia gennem et simpelt mikroskop opsat på kameratelefoner, de fandt ud af, at de nøjagtigt kunne udlede tilstedeværelsen af ​​forurenende stoffer i vandprøver inden for få minutter.

For at spore Paramecia , holdet optog videoer, Derefter kørte en objektidentifikations- og sporingsalgoritme, der automatisk ville detektere væsnerne og beregne deres svømmehastigheder og bevægelser. "Svømmehastigheder er lidt forskellige mellem forskellige individer. Men med alle disse data, vi er i stand til at reducere virkningen af ​​denne variabilitet og opnå generelle træk ved deres svømning, sagde Fernandez.

Gennem deres indsats, forskerne viste, at svømmehastighederne af Paramecia er påvirket af forurenende stoffer som tungmetallerne zinkchlorid og kobbersulfat, samt det almindelige antibiotikum erythromycin. Disse ændringer fandt sted inden for intervallet af de forurenende stoffers tilladte grænser; for eksempel, ved tungmetalkoncentrationer halvdelen af ​​dem, der anses for usikre til drikkevand, den gennemsnitlige svømmehastighed på Paramecia blev næsten halveret.

Ligeledes, der skete øjeblikkelige og betydelige reduktioner af svømmehastigheden på Paramecia ved koncentrationer, der anses for at være farlige - hvilket potentielt giver forskere mulighed for hurtigt at evaluere en specifik forurenings påvirkning i et specifikt miljø.

"At tage en prøve af vand og måle hastigheden af Paramecia kan derfor bruges som en ligetil metode til at vurdere drikkevandet uden behov for specialudstyr eller kemikalier, sagde Fernandez. Normalt, du har brug for en anden test for hvert forurenende stof, men Paramecia svømning er en global måling."

Holdet designede systemet under paraplyen af ​​det, der er kendt som "sparsommelig teknik, "hvor avancerede metoder som objektsporing og analyse udfører opgaver med minimale dikkedarer, muliggør udbredt anvendelighed med få ressourcer.

Ifølge forfatterne, den påviste sammenhæng mellem mikroorganismers svømmehastighed og tilstedeværelse af forurenende stoffer, og dens vurdering på få minutter, kan bruges som en ligetil, ressourceløs måde at vurdere vandkvalitet globalt eller som en erstatning for standardiserede metoder til at måle toksicitet i laboratoriemiljøer.

"I fremtiden, nogen kan prøve en anden type mikroorganisme. Forskellige forurenende stoffer vil påvirke organismer forskelligt, så at trække data sammen fra flere mikroorganismer ville sætte os i stand til bedre at forstå kilden til de forurenende stoffer, " konkluderede Fernandez. "Det, vi har demonstreret, beviser, at vi kan få information om vandkvalitet på en billig og enkel måde, uden nogen tekniske instrumenter og på ingen tid overhovedet."