Miljøovervågning af organiske forurenende stoffer ved hjælp af planter

Forskere ved Kobe Universitets Biosignal Research Center har med succes udviklet planter, der kan bruges til at påvise organiske forurenende stoffer, såsom polychlorerede biphenyler og hormonforstyrrende kemikalier, som forurener jord og vand.

Holdet bestod af Petya Stoykova, modtager af et Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) Postdoc-stipendium for forskning i Japan (nu forsker ved Bulgariens AgroBioInstitute), Kobe University professor emeritus OHKAWA Hideo og professor INUI Hideyuki.

Næste, de håber at bruge planter til at udvikle praktisk og billig teknologi til overvågning af toksicitet.

Disse forskningsresultater blev offentliggjort online i to artikler, som optrådte separat i Tidsskrift for Plantefysiologi den 29. juni og den Kemosfære den 22. juli.

Forskellige former for organisk forurening findes i vores omgivende miljø. Velkendte eksempler omfatter polychlorerede biphenyler (PCB'er), der blev brugt i lysstofrør og selvkopierende kopipapir, organiske fluorforbindelser, der bruges til at gøre ting vand- og madoliebestandige, såsom mademballage og køkkenredskaber, og alkylphenoler, bruges som forstadier til vaskemidler og andre produkter. Disse organiske forurenende stoffer er blevet frigivet til atmosfæren, floder og jord, og de elementer, der er modstandsdygtige over for nedbrydning, er blevet indtaget af fisk, husdyr og afgrøder, hvilket resulterer i, at disse forurenende stoffer ophobes inde i vores kroppe, efterhånden som deres niveauer er steget i andre arter. Øget koncentration inde i kroppen resulterer i forskellige skadelige virkninger såsom kræft, føtale abnormiteter og immunotoksicitet.

For at forhindre forurenende stoffer, der indtages via fødevarer, i at ophobes inde i menneskekroppen, det er nødvendigt at overvåge forureningsniveauer i miljøet, herunder vandsystemer (floder, søer, oceaner), fiskearter, atmosfæren, jord og afgrøder. Resultaterne gør os i stand til at forstå typen og koncentrationen af ​​forurenende stoffer i et område. Dette vil gøre det muligt at træffe passende foranstaltninger; for eksempel undgåelse af dyrkning af afgrøder, hvor der påvises jordforurening, og gennemførelse af forureningstests på fisk fanget i floder, der viser sig at være forurenet. Med andre ord, dette vil gøre det muligt at vælge og implementere foranstaltninger for at afbøde de skadelige virkninger af forurenende stoffer på mennesker.

Miljøovervågning er undersøgelse af typen og koncentrationen af ​​forurenende stoffer i en miljøprøve; dette involverer flere processer. For eksempel, at undersøge en jordprøve, det er nødvendigt at tilsætte et organisk opløsningsmiddel og derefter ekstrahere det kemiske stof fra jordprøven efter opvarmning natten over. Næste, det integrerede organiske opløsningsmiddel og kemiske stof fjernes fra jorden og koncentreret svovlsyre tilsættes for at fjerne pigmentering. Koncentrationen af ​​organiske forurenende stoffer i prøven er meget lav, så det er nødvendigt at kondensere det ekstraherede stof, så det når en koncentration, der er mulig at analysere. Efterfølgende dette kondensat behandles gennem flere separationskolonner, og forureningerne elueres fra kolonnerne ved hjælp af organiske opløsningsmidler, der svarer til egenskaberne for de specifikke forurenende stoffer. Næste, det er nødvendigt at fjerne urenheder fra prøven for kun at udvinde målforurening. Dette kaldes renselse. Denne serie af trin (ekstraktion, koncentration og oprensning) kaldes samlet for forbehandling, og skal udføres for at analysere spormængder af organiske forurenende stoffer i en prøve.

Til sidst, analytiske kemiteknikker såsom gaskromatografi-massespektrometri (GC-MS) og væskekromatografi-massespektrometri (LC-MS) anvendes på den forbehandlede prøve. Ved at analysere de resulterende spektrale data, der indikerer tilstedeværelsen af ​​forurenende stoffer, det er muligt at bestemme typen (speciering) og koncentrationen (fast mængde) af forurenende stoffer i prøven.

Miljøovervågning udføres i henhold til de officielle analysemetoder i hvert land, og dette spiller en afgørende rolle i identifikation og kvantificering af organiske forurenende stoffer. Imidlertid, forbehandlingsstadierne kræver store mængder svovlsyre og forskellige typer af flygtige organiske opløsningsmidler, og denne eksponering er farlig for dem, der udfører processerne.

En mere dygtig teknik er derfor nødvendig for at omdanne de minimale forureningsmængder fundet i miljøprøver (som har gennemgået kompleks forbehandling) til prøver, der kan analyseres. Desuden, brugen af ​​dyre apparater som GC/MS og LC/MS (som kan koste mellem hundredtusindvis til millioner af amerikanske dollars) øger omkostningerne ved den analytiske proces. For at opnå en nøjagtig vurdering af omfanget af forurening, det er nødvendigt at opnå adskillige miljøprøver. Imidlertid, det er kun muligt at analysere nogle få repræsentative prøver på grund af de uoverkommelige omkostninger ved de nuværende metoder. Selvom instrumentel analyse er velegnet til at bestemme typen og koncentrationen af ​​hvert forurenende stof i en miljøprøve, denne metode kan ikke fortælle os, hvor giftig hver enkelt forurening er, heller ikke den samlede toksicitet af flere forurenende stoffer i en enkelt prøve.

Som svar, dette forskerhold udviklede en overvågningsmetode, der er helt anderledes end tidligere metoder, som kræver forbehandlinger og dyrt apparatur for at bestemme typen og koncentrationen af ​​forurenende stoffer i en miljøprøve.

Dyr har proteiner kaldet kemiske receptorer, som genkender og opsnapper kemiske stoffer, der trænger ind i cellerne udefra kroppen. Når en receptor binder til et fremmed stof inde i cellen, det aktiverer transskriptionen af ​​et specifikt gen. Den regelmæssige funktion af proteinet, der skabes af dette gen, er at reagere med det fremmede stof og udskille det fra kroppen.

Et eksempel på denne type receptor er AhR (Aryl-carbonhydridreceptor). Inde i cellerne, AhR binder sig til dioxiner og PCB fra forurenede fødevarer. Så danner det et enzym, der kan omdanne disse til stoffer, der let kan opløses i vand, dermed fremme deres udskillelse fra kroppen. Derfor, AhR spiller en vigtig rolle i forhold til at angive, om dioxiner og PCB er giftige for dyr.

Ud over, østrogenreceptoren (ER) reagerer på hormoner skabt inde i et dyrs krop og er involveret i ekspressionen af ​​vigtige gener for morfogenese og vækst. ER binder sig til det kvindelige hormon østradiol og regulerer strengt timingen og mængden af ​​genetisk transskriptionsaktivering for det protein, der skal produceres som reaktion på hormonet. Imidlertid, hvis ER i stedet binder sig til et hormonforstyrrende kemikalie, der er kommet ind i kroppen via mad eller vand, så forstyrrer dette timingen og niveauet for gentranskriptionsaktivering, resulterer i skadelige virkninger.

Planter, på den anden side, er ude af stand til at bevæge sig, når de først har slået rod, så deres rødder spredes ud under jorden for at få de nødvendige næringsstoffer til vækst. De er i stand til at absorbere tilstrækkelige næringsstoffer, selv når koncentrationerne er lave, fordi de fortsætter med at udvide deres rødder. Med andre ord, planter har evnen til at ophobe kemiske stoffer, der optages fra jorden via deres rødder.

Dette forskerhold kom med ideen til en metode til at overvåge miljøforurening, som involverer at indføre kemiske receptorer fra animalsk oprindelse i en plante, og bruge dem til at opdage forurenende stoffer absorberet af planten. De skabte et AhR-anlæg til PCB-overvågning og et ER-anlæg til overvågning af hormonforstyrrende kemikalier. Når disse planter blev dyrket i jord og kulturer, der indeholdt de respektive forurenende stoffer, de forurenende stoffer, der optages af rødderne, bundet til receptorerne inde i cellerne, aktivering af transkriptionen af ​​reportergenet. Det er således muligt at overvåge forurenende stoffer ved at detektere denne reporter.

AhR-anlæg kan detektere CB126, hvilket er det mest giftige PCB, samt andre typer (CB77, CB118). På den anden side, ER-anlæg kan detektere octylphenol (OP, en type alkylphenol) ud over det kvindelige hormon 17ß-estradiol, insekticiderne fipronil og imidacloprid, og organofluorperfluoroctansulfonsyren (PFOS). Det er kendt, at disse kemikalier forurener jord- og vandsystemer. Forskerholdet fandt, at disse planter viste albinisme og strukturelle abnormiteter såsom kortere rødder, når forurenende stoffer var til stede. Dette indikerer, at det er muligt at detektere forurenende stoffer på en observerbar måde, der er endnu enklere end reporterdetektion.

Resultaterne af denne forskning viser, at det er unødvendigt at indsamle store miljøprøver til overvågning, og at det er muligt at påvise forurenende stoffer ved hjælp af små mængder jord (et par gram) eller vand (omkring 10 milliliter). Desuden, det er muligt at undersøge, om en miljøprøve indeholder giftige kemiske stoffer med overvågningsmetoden, der anvender kemiske receptorer til at angive toksicitet.

Til miljøovervågning af organiske forurenende stoffer, det er afgørende at indsamle så mange prøver som muligt for præcist at forstå omfanget af forureningen. Imidlertid, det er ikke muligt for talrige prøver at blive analyseret under de nuværende officielle metoder på grund af den mængde tid og penge, dette ville kræve. Metoden, som dette forskerhold har udviklet, er langt enklere, og kræver blot, at planter dyrkes med en lille prøve af jord og vand, og tilstedeværelsen af ​​forurenende stoffer, der skal vurderes via reporterdetektion og plantevækstobservation. Desuden, det gør det også muligt at vurdere toksiciteten af ​​forurenende stoffer, der ikke er omfattet af officielle metoder. Derfor, denne nye metode ville være velegnet til screening af adskillige miljøprøver forud for bekræftelse af typen og koncentrationen af ​​forurenende stoffer i henhold til officielle analysemetoder.

I dette studie, forskerne har vist, at det er muligt at overvåge PCB og miljøhormoner ved at indføre AhR og ER i planter. Imidlertid, dyr har mange andre kemiske receptorer bortset fra AhR og ER. Dette skulle derfor gøre det muligt at anvende denne metode til toksicitetsovervågning af andre kemiske stoffer ved at indføre forskellige typer receptorer i planter.