Onderzoekers van Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) hebben met succes een draagbaar apparaat bedacht en getest, DISCO, die de eerste in situ metingen van een zeer reactief type zuurstof uitvoerde, bekend als superoxide, die een integrale rol kunnen spelen in de gezondheid van koraalriffen. Hun bevindingen werden op 29 oktober gepubliceerd als een vroeg artikel in het tijdschrift van Milieuwetenschap en -technologie .

Superoxide is een reactieve chemische stof die een bijproduct is in alle ademende en fotosynthetiserende organismen. Deze onstabiele vorm van zuurstof, of reactieve zuurstofsoorten (ROS), is vatbaar voor het stelen of afgeven van elektronen. Als gevolg hiervan, Van superoxide is bekend dat het chemische reacties katalyseert die tot kanker en andere ziekten kunnen leiden - een van de vele redenen waarom de huidige diëten stress hebben door het opnemen van antioxidantrijke voedingsmiddelen, zoals bosbessen, noten of pure chocolade. Echter, in veel organismen, inclusief koralen, de aard van superoxide kan ingewikkelder zijn.

"Vroeger werd [superoxide] alleen als giftig beschouwd, " zegt WHOI-scheikundige Colleen Hansel, een co-auteur van de studie. "Maar we weten nu dat het voor veel nuttige processen wordt gebruikt. In schimmels, planten en zelfs dieren, superoxide is belangrijk voor de immuunrespons van een organisme [bijvoorbeeld]. Die [logica] is nog niet echt overgegaan in het leven in zee."

Hansel en haar team onderzochten de interactie van de chemische stof met symbiotische micro-organismen die koraalriffen bewonen. Voorlopig bewijs suggereert dat hoewel koralen mogelijk niet immuun zijn voor de toxische effecten van superoxide wanneer het hoge concentraties in hun cellen bereikt, ze kunnen de chemische stof ook om gunstige redenen buiten hun cellen gebruiken, zoals een verdediging tegen mariene infecties - waarvan sommige kunnen worden gestimuleerd door warmere oceaantemperaturen.

"Superoxide reflecteert op organismen als een soort Goudlokje-effect, " zegt Kalina Grabb, de hoofdauteur van de studie en WHOI-MIT Joint Program-student in het lab van Hansel. "Je wilt niet te veel, want het kan leiden tot oxidatieve stress, maar je wilt niet te weinig, want het is essentieel voor fysiologische functies."

Tot voor kort, de kortstondige aard van superoxide heeft het ongelooflijk moeilijk gemaakt om in het mariene milieu te bemonsteren - de chemische stof duurt slechts enkele minuten in zeewater. Hierdoor was er traditioneel geen tijd om watermonsters over te brengen naar een laboratorium voor adequate analyse. Tegelijkertijd, andere op een boot gemonteerde systemen waren omslachtig om te bedienen en konden alleen in zeer selecte omgevingen worden gebruikt.

Om deze beperkingen te overwinnen, WHOI-ingenieur Jason Kapit en WHOI-wetenschapper Scott Wankel werkten nauw samen met Hansel en haar laboratorium om 's werelds eerste draagbare, door een duiker bediende submersible chemiluminescentiesensor te ontwikkelen, of DISCO. ermee, ze waren in staat om superoxideconcentraties in realtime te bemonsteren tijdens een onderzoeksreis in 2017 naar het ongerepte rifsysteem van Cuba, Jardines de la Reina.

Het compacte handheld-apparaat bestaat uit een met water verzegelde batterij en een tabletscherm dat duikers op diepte kunnen bedienen. Binnenkant, vloeistofpompen nemen de onzichtbare chemische stof op zoals koralen het produceren. DISCO voegt vervolgens een chemische stof toe aan het mengsel dat reageert met superoxide om meetbaar licht te creëren, uitgelezen door een sensor aan boord. Gewapend met dit gereedschap, DISCO ontdekte opmerkelijke verschillen in superoxideniveaus tussen soorten koralen in zijn eerste veldtest.

"Nutsvoorzieningen, we willen weten waarom, " voegt Hansel toe. "Waarom maken ze met opzet superoxide en helpt dit het koraal of is het op de een of andere manier gerelateerd aan stress?"

Sinds haar oprichting, DISCO is opnieuw ontworpen om nog draagbaarder en lichter te worden. in 2018, Hans, Wankel en Kapit werkten samen aan een andere iteratie van het apparaat, dit keer met ongeveer de helft van de grootte en het gewicht van zijn voorganger. Het team heeft DISCO ook aangepast tot een diepzeeversie die bekend staat als SOLARIS om de door mensen bezette duikboot van de WHOI te begeleiden. ALVIN. In oktober 2019, ze konden SOLARIS gebruiken om superoxide geproduceerd door koralen op 1 te detecteren 300 meter diep (~4, 200 voet) langs de Davison Seamount voor de kust van centraal Californië.

"We praten nu al over wat we nu kunnen doen met deze technologie, " zegt Hans. "Hoe kunnen we nieuwe sensoren bouwen die andere reactieve zuurstofsoorten bevatten om hun rol in de gezondheid van organismen en oceaanchemie volledig te begrijpen? Ik zie het einde niet in zicht."