Onderzoekers van het Biosignal Research Center van Kobe University hebben met succes planten ontwikkeld die kunnen worden gebruikt om organische verontreinigende stoffen te detecteren, zoals polychloorbifenylen en hormoonontregelende chemicaliën, die bodem en water vervuilen.

Het team bestond uit Petya Stoykova, ontvanger van een Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) Postdoctoral Fellowship for Research in Japan (nu onderzoeker aan het Bulgaarse AgroBioInstitute), Emeritus hoogleraar universiteit van Kobe OHKAWA Hideo en professor INUI Hideyuki.

Volgende, ze hopen planten te gebruiken om handige en goedkope technologie te ontwikkelen voor het monitoren van toxiciteit.

Deze onderzoeksresultaten zijn online gepubliceerd in twee papers, die apart verscheen in de Tijdschrift voor plantenfysiologie op 29 juni en de Chemosfeer op 22 juli.

Er bestaan ​​verschillende soorten organische verontreinigende stoffen in onze omgeving. Bekende voorbeelden zijn onder meer polychloorbifenylen (PCB's) die werden gebruikt in tl-lampen en zelfkopiërend papier, organofluorverbindingen die worden gebruikt om dingen water- en bakoliebestendig te maken, zoals voedselverpakkingen en keukengerei, en alkylfenolen, gebruikt als voorlopers voor wasmiddelen en andere producten. Deze organische verontreinigende stoffen zijn in de atmosfeer terechtgekomen, rivieren en bodem, en de elementen die bestand zijn tegen ontleding zijn opgenomen door vissen, vee en gewassen, waardoor deze verontreinigende stoffen zich ophopen in ons lichaam naarmate hun niveaus bij andere soorten zijn gestegen. Verhoogde concentratie in het lichaam resulteert in verschillende schadelijke effecten zoals kanker, foetale afwijkingen en immunotoxiciteit.

Om te voorkomen dat verontreinigende stoffen die via voedsel worden ingenomen zich ophopen in het menselijk lichaam, het is noodzakelijk om de verontreinigingsniveaus in het milieu te controleren, inclusief watersystemen (rivieren, meren, oceanen), vissoorten, de atmosfeer, grond en gewassen. De resultaten stellen ons in staat om het type en de concentratie van verontreinigende stoffen in een gebied te begrijpen. Hierdoor kunnen passende maatregelen worden genomen; bijvoorbeeld het vermijden van het verbouwen van gewassen waar bodemverontreiniging wordt gedetecteerd en het uitvoeren van verontreinigingstests op in rivieren gevangen vis die vervuild blijkt te zijn. Met andere woorden, hierdoor kunnen maatregelen worden gekozen en uitgevoerd om de nadelige effecten van verontreinigende stoffen op de mens te verminderen.

Milieumonitoring is het onderzoek naar het type en de concentratie van verontreinigende stoffen in een milieumonster; hierbij zijn meerdere processen betrokken. Bijvoorbeeld, om een ​​bodemmonster te onderzoeken, het is noodzakelijk om een ​​organisch oplosmiddel toe te voegen en vervolgens de chemische stof uit het grondmonster te extraheren na het een nacht te hebben verwarmd. Volgende, het geïntegreerde organische oplosmiddel en de chemische stof worden uit de grond verwijderd en geconcentreerd zwavelzuur wordt toegevoegd om pigmentvlekken te verwijderen. De concentratie van organische verontreinigende stoffen in het monster is zeer laag, het is dus noodzakelijk om de geëxtraheerde stof te condenseren zodat deze een concentratie bereikt die geanalyseerd kan worden. Vervolgens, dit condensaat wordt door meerdere scheidingskolommen verwerkt en de verontreinigingen worden uit de kolommen geëlueerd met organische oplosmiddelen die overeenkomen met de eigenschappen van de specifieke verontreinigingen. Volgende, het is noodzakelijk om onzuiverheden uit het monster te verwijderen om alleen de doelverontreinigende stof te extraheren. Dit wordt zuivering genoemd. Deze reeks stappen (extractie, concentratie en zuivering) wordt gezamenlijk voorbehandeling genoemd, en moet worden uitgevoerd om sporen van organische verontreinigende stoffen in een monster te analyseren.

als laatste, analytisch-chemische technieken zoals gaschromatografie-massaspectrometrie (GC-MS) en vloeistofchromatografie-massaspectrometrie (LC-MS) worden toegepast op het voorbehandelde monster. Door de resulterende spectrale gegevens te analyseren die wijzen op de aanwezigheid van verontreinigende stoffen, het is mogelijk om het type (speciatie) en concentratie (vaste hoeveelheid) verontreinigingen in het monster te bepalen.

Milieumonitoring wordt uitgevoerd volgens de officiële analysemethoden van elk land en dit speelt een cruciale rol bij de identificatie en kwantificering van organische verontreinigende stoffen. Echter, de voorbehandelingsfasen vereisen dat grote hoeveelheden zwavelzuur en verschillende soorten vluchtige organische oplosmiddelen worden gebruikt, en deze blootstelling is gevaarlijk voor degenen die de processen uitvoeren.

Een meer bekwame techniek is daarom nodig om de minuscule hoeveelheden verontreinigingen die worden aangetroffen in omgevingsmonsters (die een complexe voorbehandeling hebben ondergaan) om te zetten in monsters die kunnen worden geanalyseerd. Verder, het gebruik van dure apparatuur zoals GC/MS en LC/MS (die tussen honderdduizenden tot miljoenen US dollars kunnen kosten) verhoogt de kosten van het analytische proces. Om een ​​nauwkeurige inschatting te kunnen maken van de mate van verontreiniging, het is noodzakelijk om tal van milieumonsters te verkrijgen. Echter, het is slechts mogelijk om enkele representatieve monsters te analyseren vanwege de hoge kosten van de huidige methoden. Hoewel instrumentele analyse geschikt is om het type en de concentratie van elke verontreinigende stof in een milieumonster te bepalen, deze methode kan ons niet vertellen hoe giftig elke verontreinigende stof is, noch de algehele toxiciteit van meerdere verontreinigende stoffen in een enkel monster.

In antwoord, dit onderzoeksteam ontwikkelde een monitoringmethode die totaal anders is dan eerdere methoden, die voorbehandelingen en dure apparatuur vereisen om het type en de concentratie van verontreinigende stoffen in een milieumonster te bepalen.

Dieren hebben eiwitten die chemische receptoren worden genoemd, die chemische stoffen herkennen en onderscheppen die de cellen van buiten het lichaam binnendringen. Wanneer een receptor zich bindt aan een vreemde stof in de cel, het activeert de transcriptie van een specifiek gen. De normale functie van het eiwit dat door dit gen wordt aangemaakt, is om te reageren met de vreemde stof en deze uit het lichaam uit te scheiden.

Een voorbeeld van dit soort receptor is AhR (Aryl-koolwaterstofreceptor). Binnen de cellen, AhR bindt zich aan dioxines en PCB's uit besmet voedsel. Vervolgens maakt het een enzym aan dat deze kan omzetten in stoffen die gemakkelijk in water op te lossen zijn, waardoor hun uitscheiding uit het lichaam wordt bevorderd. Daarom, AhR speelt een belangrijke rol bij het aangeven of dioxinen en PCB's giftig zijn voor dieren.

In aanvulling, de oestrogeenreceptor (ER) reageert op hormonen die in het lichaam van een dier worden aangemaakt en is betrokken bij de expressie van belangrijke genen voor morfogenese en groei. ER bindt aan het vrouwelijke hormoon estradiol en reguleert strikt de timing en hoeveelheid genetische transcriptie-activering voor het eiwit dat moet worden geproduceerd als reactie op het hormoon. Echter, als ER in plaats daarvan bindt aan een hormoonontregelende chemische stof die het lichaam is binnengekomen via voedsel of water, dan verstoort dit de timing en het niveau van activering van gentranscriptie, met nadelige effecten tot gevolg.

Planten, anderzijds, kunnen niet meer bewegen als ze eenmaal wortel hebben geschoten, zodat hun wortels zich onder de grond verspreiden om de noodzakelijke voedingsstoffen voor groei te verkrijgen. Ze zijn in staat om ook bij lage concentraties voldoende voedingsstoffen op te nemen, omdat ze hun wortels blijven uitzetten. Met andere woorden, planten hebben het vermogen om chemische stoffen op te hopen die via hun wortels uit de bodem worden opgenomen.

Dit onderzoeksteam kwam op het idee voor een methode om milieuvervuiling te monitoren, waarbij chemische receptoren van dierlijke oorsprong in een plant worden geïntroduceerd, en ze te gebruiken om verontreinigende stoffen te detecteren die door de plant worden opgenomen. Ze creëerden een AhR-fabriek voor PCB-monitoring en een ER-fabriek voor het monitoren van hormoonontregelende chemicaliën. Wanneer deze planten werden gekweekt in grond en culturen die de respectieve verontreinigingen bevatten, de verontreinigende stoffen die door de wortels worden opgenomen, gebonden aan de receptoren in de cellen, het activeren van de transcriptie van het reportergen. Zo is het mogelijk om verontreinigende stoffen te monitoren door deze reporter te detecteren.

AhR-planten kunnen CB126 detecteren, wat de meest giftige PCB is, evenals andere typen (CB77, CB118). Anderzijds, ER-planten kunnen octylfenol (OP, een type alkylfenol) naast het vrouwelijke hormoon 17ß-estradiol, de insecticiden fipronil en imidacloprid, en het organofluorperfluoroctaansulfonzuur (PFOS). Het is bekend dat deze chemicaliën bodem- en watersystemen vervuilen. Het onderzoeksteam ontdekte dat deze planten albinisme en structurele afwijkingen vertoonden, zoals kortere wortels wanneer verontreinigende stoffen aanwezig waren. Dit geeft aan dat het mogelijk is om verontreinigende stoffen op een waarneembare manier te detecteren die zelfs eenvoudiger is dan detectie door verslaggevers.

De resultaten van dit onderzoek laten zien dat het verzamelen van grote milieumonsters voor monitoring niet nodig is en dat het mogelijk is om verontreinigingen op te sporen met kleine hoeveelheden grond (enkele grammen) of water (ongeveer 10 milliliter). Verder, het is mogelijk om te onderzoeken of een milieumonster toxische chemische stoffen bevat met de monitoringmethode die chemische receptoren gebruikt om toxiciteit aan te geven.

Voor de milieumonitoring van organische verontreinigende stoffen, het is essentieel om zoveel mogelijk monsters te verzamelen om de omvang van de vervuiling nauwkeurig te begrijpen. Echter, het is niet mogelijk om talloze monsters te analyseren met de huidige officiële methoden vanwege de hoeveelheid tijd en geld die dit zou vergen. De methode die dit onderzoeksteam heeft ontwikkeld is veel eenvoudiger, en vereist alleen dat planten worden gekweekt met een kleine hoeveelheid grond en water, en de aanwezigheid van verontreinigende stoffen die moeten worden beoordeeld via reporterdetectie en observatie van plantengroei. Verder, het maakt het ook mogelijk de toxiciteit te evalueren van verontreinigende stoffen die niet onder officiële methoden vallen. Daarom, deze nieuwe methode zou geschikt zijn voor het screenen van talrijke milieumonsters voorafgaand aan de bevestiging van het type en de concentratie van verontreinigende stoffen volgens officiële analytische methoden.

In dit onderzoek, de onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om PCB's en omgevingshormonen te monitoren door AhR en ER in planten te introduceren. Echter, dieren hebben naast AhR en ER nog vele andere chemische receptoren. Dit moet het dus mogelijk maken om deze methode toe te passen op de toxiciteitsmonitoring van andere chemische stoffen door verschillende soorten receptoren in planten in te brengen.