Forskere udvikler et tidligt varslingssystem for vandforurening ved hjælp af små vandlopper

Forskere ved University of Toronto udvikler et tidligt varslingssystem for vandkvalitet og forurening, der kombinerer små vandlopper og et instrument, der er så følsomt, at det er i stand til at opdage ændringer på molekylært niveau.

Teknikken udvikles af Myrna Simpson, en professor i U of T Scarboroughs afdeling for fysiske og miljømæssige videnskaber, og post-doc forsker Tae-Yong Jeong bruger noget, der kaldes metabolomics til at studere helbredet af almindelige vandlopper (Daphnia). Den bruger et kraftfuldt instrument kaldet et tandem-massespektrometer til at tilbyde et vindue til biokemiske processer, der finder sted inde i Daphnia, når de udsættes for forskellige vandforhold.

"Metabolomics er virkelig dynamisk - det giver dig mulighed for at opdage biokemiske ændringer i væv og celler næsten øjeblikkeligt, " siger Simpson.

Teknikken kan inkorporeres i det, der kaldes det biologiske tidlige advarselssystem for vandforurening, som går ud på at se på, hvordan organismer reagerer biologisk på ændringer i vandkvaliteten. De organismer, der bruges i systemet, reagerer normalt hurtigt på forurenende stoffer og ændringer i næringsstoffer, så teknikken er nyttig til kontinuerlig overvågning af vandkvaliteten.

"Søernes sundhed, floder og vandløb er under konstant trussel fra menneskeskabte aktiviteter, og det kan hurtigt ændre næringsforholdene, pH og vandkvalitet i økosystemer, " siger Simpson.

Udfordringen er, at der ikke har været en hurtig og nem metode til rutinemæssigt at overvåge disse miljøer. Nuværende reproduktionstests på Daphnia kan tage op til 21 dage at gennemføre, Simpson siger. En metabolomics-tilgang, på den anden side, kan gøres inden for minutter til timer, og endda over organismens levetid.

"Nuværende overvågningsteknikker er lange og arbejdskrævende, "siger Simpson, hvis forskning ser på virkningen af ​​miljøændringer i jord og vand på molekylært niveau.

"I Ontario er der så mange ferskvandssøer og floder, at du ikke bare kan indsamle og behandle prøver hurtigt nok."

Metabolomiske tilgange til overvågning af menneskers og miljøets sundhed er blevet udviklet i fortiden, men det er første gang, det er blevet testet til brug i det biologiske tidlige varslingssystem.

Teknikken er så granulær, at den kan detektere picogram-niveauer (en trilliontedel af et gram) af metabolitter i en prøve. Simpson siger sammenlignet med andre meget følsomme "omics"-mål som genomik (gener) eller proteomics (proteiner), metabolomics er billigere, nemmere og hurtigere.

Tid og følsomhed er afgørende, når det kommer til overvågning af vandkvalitet, bemærker Jeong. Når dafnier er udsat for forurenende stoffer, toksiciteten kan begynde at ændre dem fundamentalt på molekylært niveau, påvirker energiniveauet, evne til at reproducere og forårsage genetiske ændringer.

"Hvis Daphnia ikke er glade, fordi de er ramt af forurening, du vil se det kaskade i hele fødevarenettet, " han siger.

"De er ideelle at bruge til at studere vandforurening, fordi som en nøglestensorganisme, de er repræsentative for, hvad der sker i deres omgivelser. "

Forskningen, som modtog støtte fra Krembil Foundation og Ontarios miljøministerium, bevaring og parker, er offentliggjort i tidsskriftet Vandforskning .

Parret forfattede også en anden artikel, der ser på, hvordan metabolitter kan svinge i løbet af Daphnias levetid, som er publiceret i tidsskriftet Miljøvidenskab og -teknologi .

Da metabolomics er så følsom, et vigtigt næste skridt for forskerne er at finde ud af, hvordan man skelner mellem små metaboliske ændringer, der er forårsaget af forurening og mere ekstreme variationer.

"Vi er nødt til at definere, hvad der er en lille ændring i stofskiftet versus en virkelig stor ændring, som vi ved vil vise sig i noget meget værre, " siger Simpson.