Farveskiftende indikator forudsiger algeopblomstring

Grumsete grønne algeopblomstringer er mere end et stort øjensår; de afslører, at et vandområde kan være usikkert at svømme eller drikke. I øjeblikket er der dog ikke et effektivt advarselssystem for forestående opblomstringer. Nu, forskere i ACS Applied Nano Materials rapporter en indikator, der ændrer farve, når den udsættes for stigende niveauer af alkalisk fosfatase - et enzym, der forudsiger fytoplanktons eksponentielle vækst. Denne ændring kan registreres med det blotte øje eller en smartphone.

Et overskud af fosfor i ferskvandssystemer får alger, såsom fytoplankton og cyanobakterier, til at vokse ude af kontrol, hvilket gør vandet til en "ærtesuppe" af disse organismer. Blomstring kan true drikkevandsforsyningen, fordi nogle algearter frigiver ubehagelige lugte eller toksiner. Men hvis folk vidste, hvornår en algeopblomstring sandsynligvis ville udvikle sig, kunne de klare det ved at fjerne eller dræbe algerne, før de bliver et problem. Tidligere har Jingjing Deng og kolleger vist, at alkalisk fosfatase hjælper med at frigive biotilgængeligt fosfor fra komplekse forbindelser, og at stigende niveauer af enzymet kunne forudsige fosfor-relaterede algeopblomstringer. De nuværende detektionsmetoder for alkalisk fosfatase er dog ikke særlig følsomme eller specifikke. Så forskerne ønskede at bruge reaktionen katalyseret af alkalisk fosfatase til at inducere både fluorescens og synlige farveændringer i en vandprøve.

For at lave den farveskiftende indikator kombinerede forskerne først kobberioner med guanosin-5-monophosphat og dannede sfæriske nanopartikler. Dernæst inkorporerede de to forbindelser (1,1,2,2-tetra(4-carboxylphenyl)ethylen og sulforhodamin 101) i nanopartiklerne. Det endelige resultat var en dyb blå opløsning i synligt lys, der fluorescerede en blålig-lilla under UV-lys. I nærvær af alkalisk fosfatase skiftede opløsningen til en lyserød farvetone og en stærk rød fluorescens under UV-lys.

Forskerne testede indikatoren med vand fra 13 flodsteder, der havde begrænset biotilgængeligt fosfor, og beregnede rød-til-blå fluorescensforhold med en smartphones farvescanningsapp. De fandt ud af, at den bærbare digitale metode pålideligt detekterede alkalisk fosfatase og var lige så robust som bordmålinger af indikatorens fluorescens. Forskerne dyrkede også toksinproducerende cyanobakterier i laboratoriet, fodrede dem med komplekse fosforholdige forbindelser og målte de alkaliske fosfataseændringer. På den tredje dag blev der påvist en stor stigning i enzymaktivitet med både fluorescens og synlige farveændringer. Et par dage senere voksede algerne eksponentielt. Fordi indikatoren og det smartphone-baserede system registrerede aktivitetsstigningen før en blomstring, siger forskerne, at det kunne udvikles til feltovervågning og forudsigelse i realtid. + Udforsk yderligere

Skadelig algeopblomstring bliver sporbar langs den vestlige Erie-sø