Onderzoekers van de Universiteit van Toronto ontwikkelen een systeem voor vroegtijdige waarschuwing voor waterkwaliteit en vervuiling dat kleine watervlooien combineert met een instrument dat zo gevoelig is dat het veranderingen op moleculair niveau kan detecteren.

De techniek die wordt ontwikkeld door Myrna Simpson, een professor in de afdeling fysische en milieuwetenschappen van U of T Scarborough, en postdoctoraal onderzoeker Tae-Yong Jeong gebruikt iets dat metabolomics wordt genoemd om de gezondheid van gewone watervlooien (Daphnia) te bestuderen. Het maakt gebruik van een krachtig instrument, een tandem-massaspectrometer genaamd, om een ​​kijkje te geven in biochemische processen die plaatsvinden in Daphnia wanneer ze worden blootgesteld aan verschillende wateromstandigheden.

"Metabolomics is echt dynamisch - het stelt je in staat om bijna onmiddellijk biochemische veranderingen in weefsels en cellen te detecteren, ' zegt Simpson.

De techniek kan worden opgenomen in wat het Biological Early Warning System voor watervervuiling wordt genoemd, waarbij wordt gekeken naar hoe organismen biologisch reageren op veranderingen in de waterkwaliteit. De organismen die in het systeem worden gebruikt, reageren meestal snel op verontreinigende stoffen en veranderingen in voedingsstoffen, dus de techniek is nuttig voor het continu monitoren van de waterkwaliteit.

"De gezondheid van meren, rivieren en beken wordt voortdurend bedreigd door door mensen veroorzaakte activiteiten, en dat kan de voedingstoestand snel veranderen, pH en waterkwaliteit van ecosystemen, ' zegt Simpson.

De uitdaging is dat er geen snelle en gemakkelijke methode was om deze omgevingen routinematig te controleren. Huidige reproductieve tests op Daphnia kunnen tot 21 dagen duren om te voltooien, zegt Simpson. Een metabolomics-aanpak, anderzijds, kan binnen enkele minuten tot uren worden gedaan, en zelfs gedurende de levensduur van het organisme.

"De huidige monitoringtechnieken zijn lang en arbeidsintensief, " zegt Simpson, wiens onderzoek kijkt naar de impact van milieuveranderingen in bodem en water op moleculair niveau.

"In Ontario zijn er zoveel zoetwatermeren en rivieren dat je niet snel genoeg monsters kunt verzamelen en verwerken."

Metabolomics-benaderingen voor het bewaken van de gezondheid van mens en milieu zijn in het verleden ontwikkeld, maar dit is de eerste keer dat het is getest voor gebruik in het biologische systeem voor vroegtijdige waarschuwing.

De techniek is zo korrelig dat het picogramniveaus (een biljoenste van een gram) metabolieten in een monster kan detecteren. Simpson zegt in vergelijking met andere zeer gevoelige "omics" -metingen zoals genomics (genen) of proteomics (eiwitten), metabolomics is goedkoper, makkelijker en sneller.

Tijd en gevoeligheid zijn cruciaal als het gaat om het monitoren van de waterkwaliteit, merkt Jeong op. Zodra Daphnia is blootgesteld aan verontreinigende stoffen, de toxiciteit kan ze op moleculair niveau fundamenteel veranderen, invloed op het energieniveau, vermogen om zich voort te planten en genetische veranderingen te veroorzaken.

"Als Daphnia niet gelukkig is omdat ze last hebben van vervuiling, je zult het door het voedselweb zien stromen, " hij zegt.

"Ze zijn ideaal om te gebruiken bij het bestuderen van watervervuiling omdat, als een hoeksteenorganisme, ze zijn representatief voor wat er in hun omgeving gebeurt."

Het onderzoek, die financiering ontving van de Krembil Foundation en het Ministerie van Milieu van Ontario, Behoud en parken, wordt gepubliceerd in het tijdschrift Wateronderzoek .

Het paar schreef ook een tweede artikel waarin werd gekeken naar hoe metabolieten kunnen fluctueren gedurende de levensduur van Daphnia, die is gepubliceerd in het tijdschrift Milieuwetenschap en -technologie .

Omdat metabolomics zo gevoelig is, een belangrijke volgende stap voor de onderzoekers is om erachter te komen hoe je het verschil kunt zien tussen kleine metabole veranderingen die worden veroorzaakt door vervuiling en meer extreme variaties.

"We moeten definiëren wat een kleine verandering in het metabolisme is versus een echt grote verandering waarvan we weten dat deze zich zal manifesteren in iets veel ergers, ' zegt Simpson.