In de afgelopen 10 jaar, schadelijke algenbloei - plotselinge toename van de algenpopulatie, meestal in kustgebieden en zoetwatersystemen - zijn een ernstiger probleem geworden voor het leven in zee in de VS. De bloemen bestaan ​​uit fytoplankton, die van nature biotoxines produceren, en die gifstoffen kunnen niet alleen het leven van vissen en planten in het water aantasten, maar ook zoogdieren, vogels en mensen die in de buurt van die gebieden leven.

Volgens de National Oceanic and Atmospheric Administration, de gebeurtenissen komen vaker voor en vinden plaats in meer regio's over de hele wereld dan ooit tevoren.

De mogelijkheid om schadelijke algenbloei en hun locaties te voorspellen, grootte en ernst kunnen wetenschappers helpen hun gevaarlijke effecten te voorkomen. Maar het was moeilijk te voorspellen wanneer en waar de bloei zal plaatsvinden.

Nutsvoorzieningen, UCLA-onderzoekers hebben een goedkoop en draagbaar apparaat ontwikkeld dat watermonsters onmiddellijk kan analyseren, die mariene biologen realtime inzicht zouden geven over de mogelijkheid dat de algenbloei zou kunnen optreden in het gebied dat ze testen. Dat, beurtelings, zou ambtenaren die kustgebieden beheren in staat stellen om betere, snellere beslissingen over, bijvoorbeeld, stranden en schelpdierbanken sluiten voordat algenbloei ernstige schade aanricht.

UCLA-onderzoekers hebben een nieuwe flowcytometer gemaakt - die de fysieke en chemische kenmerken van kleine objecten in een monster detecteert en meet - op basis van holografische beeldvorming en kunstmatige intelligentie. Het kan binnen enkele seconden snel de samenstelling van verschillende planktonsoorten analyseren, veel sneller dan de huidige standaardmethode, waarbij handmatig watermonsters worden verzameld en verschillende stappen worden doorlopen.

Het onderzoek, die online werd gepubliceerd door Licht:wetenschap en toepassingen en zal verschijnen in de gedrukte editie van het tijdschrift, werd geleid door Aydogan Ozcan, de UCLA Chancellor's Professor of Electrical and Computer Engineering en associate director van het California NanoSystems Institute aan de UCLA.

De groeiende dreiging van bloei wordt mede veroorzaakt door de hogere watertemperatuur als gevolg van klimaatverandering, en deels door een hoog gehalte aan nutriënten (voornamelijk fosfor, stikstof en koolstof) uit meststoffen die worden gebruikt voor gazons en landbouwgrond.

De giftige stoffen die door de bloemen worden geproduceerd, kunnen zuurstof uit het water halen en kunnen voorkomen dat zonlicht vissen en waterplanten bereikt, waardoor ze sterven of elders migreren. In aanvulling, vissen en nabijgelegen dieren in het wild kunnen zelfs de gifstoffen binnenkrijgen; en in sommige zeldzame gevallen, als ze dicht genoeg bij de bloemen zijn, mensen kunnen ze inademen, wat het zenuwstelsel kan aantasten, hersenen en lever, en uiteindelijk tot de dood leiden.

Wetenschappers hebben over het algemeen geprobeerd om algenbloei te begrijpen door middel van handmatige bemonstering en traditionele lichtmicroscopie, die ze gebruiken om kaarten met een hoge resolutie te maken die een fytoplanktonsamenstelling in dat gebied over langere tijdsperioden weergeven. Om die kaarten te bouwen, technici moeten met de hand watermonsters verzamelen met planktonnetten en deze vervolgens naar een laboratorium brengen voor analyse. Het proces is een uitdaging, deels omdat de concentratie en samenstelling van algen in een bepaald waterlichaam snel kan veranderen, zelfs in de tijd die nodig is om monsters te analyseren.

Het apparaat dat door Ozcan en zijn collega's is gemaakt, versnelt het hele proces en, omdat het geen lenzen of andere optische componenten gebruikt, het voert de tests uit tegen veel lagere kosten. Het beeldt algenmonsters af en kan een breed scala aan andere stoffen scannen, ook — met behulp van holografie en kunstmatige intelligentie.

In de handel verkrijgbare stroomcytometers voor beeldvorming die worden gebruikt in de microbiologie van het milieu, kunnen vanaf $ 40 kosten, 000 tot $ 100, 000, waardoor het wijdverbreide gebruik ervan is beperkt. De UCLA-cytometer is compact en lichtgewicht, en het kan worden samengesteld uit onderdelen die minder dan $ 2 kosten, 500.

Een uitdaging die de onderzoekers moesten overwinnen, was ervoor te zorgen dat het apparaat voldoende licht zou hebben om goed verlichte, snelle beelden zonder bewegingsonscherpte.

"Het is vergelijkbaar met het maken van een foto van een Formule 1-raceauto, " zei Ozcan. "De cameraman heeft een zeer korte belichting nodig om bewegingsonscherpte te voorkomen. In ons geval, dat betekent het gebruik van een zeer heldere, gepulseerde lichtbron met een pulslengte van ongeveer een duizendste van de duur van het knipperen van een oog."

Om het apparaat te testen, de wetenschappers maten oceaanmonsters langs de kustlijn van Los Angeles en verkregen beelden van de samenstelling van fytoplankton. Ze maten ook de concentratie van een potentieel giftige alg genaamd Pseudo-nitzschia langs zes openbare stranden in de regio. De metingen van de UCLA-onderzoekers waren vergelijkbaar met die in een recent onderzoek van het Marine Biotoxin Monitoring Program van het California Department of Public Health.

Zoltán Gӧrӧcs, een UCLA-postdoctoraal wetenschapper en de eerste auteur van de studie, zei dat de onderzoekers hun nieuwe apparaat aan het bespreken zijn met mariene biologen om te bepalen waar het het meest nuttig zou zijn.

"Ons apparaat kan worden aangepast om te kijken naar grotere organismen met een hogere doorvoer of naar kleinere met een betere beeldkwaliteit, terwijl een deel van de doorvoer wordt opgeofferd, " hij zei.