Tests viser, at ny biosensor kan guide miljøoprydning
Tests viser, at ny biosensor kan guide miljøoprydning
Anonim

Test af en ny antistofbaseret "biosensor", udviklet af forskere ved Virginia Institute of Marine Science, viser, at den kan opdage havforurenende stoffer som olie meget hurtigere og billigere end nuværende teknologier. Enheden er lille og robust nok til at blive brugt fra en båd.

Afprøvning af biosensoren i Elizabeth River og Yorktown Creek, som begge dræner ind i den nedre Chesapeake Bay, viser, at instrumentet kan behandle prøver på mindre end 10 minutter, detektere forurenende stoffer i niveauer så lave som blot nogle få dele pr. milliard, og gøre det til en pris af kun øre pr. prøve. Nuværende teknologi kræver timers laboratoriearbejde med en pris pr. prøve på op til $1.000.

"Vores biosensor kombinerer immunsystemets kraft med følsomheden fra banebrydende elektronik," siger Dr. Mike Unger fra VIMS. "Det giver et stort løfte om realtidsdetektion og overvågning af olieudslip og andre udslip af forurenende stoffer i havmiljøet."

Biosensoren er udviklet og testet af Unger, kollega VIMS-professor Steve Kaattari og deres ph.d.-studerende Candace Spier, med assistance fra havforskeren George Vadas. Holdets rapport om feltforsøg med sensoren vises i denne måneds udgave af Environmental Toxicology and Chemistry.

Instrumentet blev udviklet i samarbejde med Sapidyne Instruments, Inc., med finansiering fra staten Virginia, Office of Naval Research og Cooperative Institute for Coastal and Estuarine Environmental Technology, et partnerskab mellem NOAA og University of New Hampshire.

Testene i Elizabeth-floden fandt sted under oprydning af et sted, der var forurenet med polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er), biprodukter af årtiers industriel brug af creosot til behandling af marine pæle. U.S. Environmental Protection Agency anser PAH'er for meget giftige og opregner 17 som formodede kræftfremkaldende stoffer.

Biosensoren gjorde det muligt for forskerne at kvantificere PAH-koncentrationer, mens Elizabeth River-saneringen fandt sted, og opnå on-site viden om vandkvaliteten omkring saneringsstedet. Spier siger, at testen var "den første brug af en antistof-baseret biosensor til at guide prøvetagningsindsatsen gennem næsten realtidsevaluering af miljøforurening."

I Yorktown Creek-undersøgelsen brugte forskerne biosensoren til at spore afstrømningen af ​​PAH'er fra veje og jord under et regnvejr.

Biosensor udvikling

Kaattari siger "Vores grundlæggende idé var at fusionere to forskellige slags teknologier - monoklonale antistoffer og elektroniske sensorer - for at detektere forurenende stoffer."

Antistoffer er proteiner produceret af immunsystemet hos mennesker og andre pattedyr. De er særligt velegnede til at detektere forurenende stoffer, fordi de har, som Kaattari udtrykker det, en "næsten en uendelig kraft til at genkende den 3-dimensionelle form af ethvert molekyle."

Pattedyr producerer antistoffer, der genkender og binder til store organiske molekyler såsom proteiner eller med vira. VIMS-teamet tog denne proces et skridt videre ved at forbinde proteiner med PAH'er og andre forurenende stoffer og derefter udsætte mus for disse parrede forbindelser på en måde, der ligner en almindelig vaccination.

"Ligesom du bliver vaccineret mod influenza, vaccinerer vi i bund og grund vores mus mod forurenende stoffer," siger Kaattari. "Musens lymfesystem producerer derefter antistoffer mod PAH'er, TNT, tributyltin [TBT, den aktive ingrediens i antibegroningsmaling til både] eller andre forbindelser."

Når en mus har produceret et antistof mod en bestemt kontaminant, anvender VIMS-teamet standard kliniske teknikker til at producere "monoklonale antistoffer" i tilstrækkeligt store mængder til brug i en biosensor.

"Denne teknologi giver dig mulighed for at udødeliggøre en lymfocyt, der kun producerer et meget specifikt antistof," siger Kaattari.”Man dyrker lymfocytterne i kultur og kan producere store mængder antistoffer inden for et par uger. Du kan bevare den antistofproducerende lymfocyt for evigt, hvilket betyder, at du ikke behøver at gå til et nyt dyr, hver gang du skal producere nye antistoffer."

Fra antistof til elektrisk signal

Holdets næste skridt var at udvikle en sensor, der kan genkende, når et antistof binder sig til en forurening og omsætte denne genkendelse til et elektrisk signal. Sapidyne® sensor, der bruges af VIMS-teamet, fungerer via det, Kaattari kalder en "fluorescens-inhiberende, spektroskopisk type assay."

I sensoren, der blev brugt på Elizabeth River og Yorktown Creek, blev antistoffer designet til at genkende en specifik klasse af PAH'er forbundet med et farvestof, der lyser, når det udsættes for fluorescerende lys. Intensiteten af ​​dette lys registreres igen som en spænding. Sensoren rummer også bittesmå plastikperler, der er belagt med, hvad Spier kalder et "PAH-surrogat" - et PAH-derivat, der bevarer den form, som antistoffet genkender som et PAH-molekyle.

Når vandprøver med lave PAH-niveauer tilsættes til sensorkammeret (som allerede er oversvømmet med en opløsning af anti-PAH-antistoffer), har antistofferne kun lidt at binde sig til og er dermed frie til at binde til de surrogat-coatede perler, hvilket giver en stærk fluorescerende glød og elektrisk signal. I vandprøver med høje PAH-koncentrationer binder en stor del af antistofferne derimod til miljøforureningen. Det efterlader færre at fæstne til de surrogatbelagte perler, hvilket som følge heraf giver en svagere glød og et svagere elektrisk signal.

Under Elizabeth River-undersøgelsen målte biosensoren PAH-koncentrationer, der varierede fra 0,3 til 3,2 dele pr. milliard, med højere PAH-niveauer tættere på opgravningsstedet. I Yorktown Creek viste biosensoren, at PAH-niveauerne i afstrømningen toppede 1 til 2 timer efter, at regnen startede, med en topkoncentration på 4,4 ppm.

Sammenligning af biosensorens feltaflæsninger med senere aflæsninger fra et massespektrometer hos VIMS viste, at biosensoren er lige så præcis som den dyrere, langsommere og laboratoriebundne maskine.

Et værdifuldt feltværktøj

Spier siger: "Ved at bruge biosensoren kunne vi hurtigt overvåge et område på næsten 900 acres omkring Elizabeth-flodens mudder og give information om størrelsen og intensiteten af ​​forureningsfanen til ingeniører, der overvågede uddybningen fra kysten. Hvis vores resultater havde vist forhøjede koncentrationer, kunne de have stoppet uddybningen og iværksat afhjælpende foranstaltninger."

Unger tilføjer "at måle data i realtid gjorde det også muligt for os at guide indsamlingen af ​​store mængder vandprøver lige fra båden. Vi brugte disse prøver til senere analyse af specifikke PAH-forbindelser i laboratoriet. Dette sparede tid, kræfter og penge ved at holde os fra at skulle analysere prøver, der kan indeholde PAH'er på niveauer under vores detektionsgrænse."

"Biosensorer har deres begrænsninger og optimale driftsbetingelser," siger Kaattari, "men deres løfte opvejer langt alle begrænsninger. De primære fordele ved vores biosensor er dens følsomhed, hastighed og bærbarhed. Disse instrumenter vil helt sikkert have et utal af anvendelser i fremtidig miljøovervågning og -styring."

En lovende anvendelse af biosensoren er til tidlig detektion og sporing af olieudslip. "Hvis biosensorer blev placeret i nærheden af ​​et olieanlæg, og der var et spild, ville vi vide det med det samme," siger Kaattari. "Og fordi vi kunne se koncentrationer stige eller falde i et bestemt mønster, kunne vi også overvåge spredningen i realtid."

Populær af emne.