Mobil enhed kan gøre det lettere at forudsige og kontrollere skadelige algeopblomstringer

I de sidste 10 år har skadelige algeblomster - pludselige stigninger i bestanden af ​​alger, typisk i kystområder og ferskvandssystemer - er blevet et mere alvorligt problem for havlivet i hele USA Blomstringen består af planteplankton, som naturligt producerer biotoksiner, og disse toksiner kan påvirke ikke kun fisk og planteliv i vandet, men også pattedyr, fugle og mennesker, der bor i nærheden af ​​disse områder.

Ifølge National Oceanic and Atmospheric Administration, begivenhederne er blevet mere almindelige og forekommer i flere regioner rundt om i verden end nogensinde før.

Evnen til at forudsige skadelig algeopblomstring og deres placering, størrelse og sværhedsgrad kunne hjælpe videnskabsmænd med at forhindre deres farlige virkninger. Men det har været svært at forudsige, hvornår og hvor blomstringen vil forekomme.

Nu, UCLA -forskere har udviklet en billig og bærbar enhed, der kan analysere vandprøver med det samme, som ville give havbiologer indsigt i realtid om muligheden for, at algblomstringen kan forekomme i det område, de tester. At, på tur, ville give embedsmænd, der administrerer kystområder, mulighed for at gøre det bedre, hurtigere beslutninger om, for eksempel, lukning af strande og skaldyrsbed, inden algeblomster forårsager alvorlig skade.

UCLA-forskere skabte et nyt flowcytometer - som detekterer og måler de fysiske og kemiske egenskaber af små objekter i en prøve - baseret på holografisk billeddannelse og kunstig intelligens. Det kan hurtigt analysere sammensætningen af ​​forskellige planktonarter inden for få sekunder, meget hurtigere end den nuværende standardmetode, hvilket indebærer at man indsamler vandprøver manuelt og kører dem gennem flere trin.

Forskningen, som blev udgivet online af Lys:Videnskab og applikationer og vil blive vist i tidsskriftets trykte udgave, blev ledet af Aydogan Ozcan, UCLA -kanslerens professor i elektrisk og computerteknik og associeret direktør for California NanoSystems Institute ved UCLA.

Den voksende trussel fra opblomstringer skyldes til dels højere vandtemperatur på grund af klimaændringer, og til dels på grund af høje niveauer af næringsstoffer (hovedsageligt fosfor, nitrogen og kulstof) fra gødning, der bruges til græsplæner og landbrugsjord.

De giftige forbindelser produceret af blomstringen kan opbruge ilt fra vandet og kan blokere sollys i at nå fisk og vandplanter, som får dem til at dø eller migrere andre steder. Ud over, fisk og nærliggende dyreliv kan endda indtage toksinerne; og i nogle sjældne tilfælde, hvis de er tæt nok på blomstringen, mennesker kan indånde dem, hvilket kan påvirke nervesystemet, hjerne og lever, og til sidst føre til døden.

Forskere har generelt forsøgt at forstå algeopblomstringer gennem manuel prøveudtagning og traditionel lysmikroskopi, som de bruger til at lave højopløselige kort, der viser en planteplanktonsammensætning i dette område over længere perioder. For at bygge disse kort, teknikere skal indsamle vandprøver i hånden ved hjælp af planktonnet og derefter bringe dem til et laboratorium til analyse. Processen er til dels udfordrende, fordi koncentrationen og sammensætningen af ​​alger i en given vandmasse kan ændre sig hurtigt - selv i den tid, det tager at analysere prøver.

Enheden skabt af Ozcan og hans kolleger fremskynder hele processen og, fordi den ikke bruger linser eller andre optiske komponenter, den udfører testen til en meget lavere pris. Det viser alger - og er i stand til at scanne en lang række andre stoffer, også — ved hjælp af holografi og kunstig intelligens.

Kommercielt tilgængelige billeddannelsescytometre, der bruges i miljømikrobiologi, kan koste fra $ 40, 000 til $ 100, 000, hvilket har begrænset deres udbredte anvendelse. UCLA cytometeret er kompakt og let, og det kan samles af dele, der koster mindre end $2, 500.

En udfordring, forskerne måtte overvinde, var at sikre, at enheden ville have nok lys til at skabe veloplyst, højhastighedsbilleder uden bevægelsessløring.

"Det svarer til at tage et billede af en Formel 1 racerbil, " sagde Ozcan. "Kameramanden har brug for en meget kort eksponering for at undgå bevægelsessløring. I vores tilfælde, det betyder at bruge en meget lys, pulserende lyskilde med en pulslængde omkring en tusindedel af varigheden af ​​et øjenblink."

For at teste enheden, forskerne målte havprøver langs Los Angeles -kysten og opnåede billeder af dets planteplanktonsammensætning. De målte også koncentrationen af ​​en potentielt giftig alge kaldet Pseudo-nitzschia langs seks offentlige strande i regionen. UCLA -forskernes målinger var sammenlignelige med dem i en nylig undersøgelse foretaget af California Department of Public Health's Marine Biotoxin Monitoring Program.

Zoltán Gӧrӧcs, en UCLA postdoc og undersøgelsens første forfatter, sagde, at forskerne er i gang med at diskutere deres nye enhed med havbiologer for at afgøre, hvor det ville være mest nyttigt.

"Vores enhed kan tilpasses til at se på større organismer med en højere gennemstrømning eller se på mindre med en bedre billedkvalitet, mens man ofrer noget af gennemstrømningen, " han sagde.