Forskare vid University of Toronto utvecklar ett system för tidig varning för vattenkvalitet och föroreningar som kombinerar små vattenloppor och ett instrument som är så känsligt att det kan upptäcka förändringar på molekylär nivå.

Tekniken utvecklas av Myrna Simpson, en professor vid U of T Scarboroughs avdelning för fysikaliska och miljövetenskapliga vetenskaper, och postdoktorand forskare Tae-Yong Jeong använder något som kallas metabolomics för att studera hälsan hos vanliga vattenloppor (Daphnia). Den använder ett kraftfullt instrument som kallas tandemmasspektrometer för att erbjuda ett fönster till biokemiska processer som äger rum inuti Daphnia när de utsätts för olika vattenförhållanden.

"Metabolomics är verkligen dynamiskt - det låter dig upptäcka biokemiska förändringar i vävnader och celler nästan omedelbart, säger Simpson.

Tekniken kan införlivas i det som kallas det biologiska systemet för tidig varning för vattenföroreningar, vilket innebär att titta på hur organismer reagerar biologiskt på förändringar i vattenkvaliteten. De organismer som används i systemet har vanligtvis en snabb respons på föroreningar och förändringar i näringsämnen, så tekniken är användbar för kontinuerlig övervakning av vattenkvaliteten.

"Sjöarnas hälsa, floder och bäckar är ständigt hotade av mänskliga aktiviteter, och det kan snabbt förändra näringsförhållandena, pH och vattenkvalitet i ekosystemen, säger Simpson.

Utmaningen är att det inte har funnits en snabb och enkel metod för att rutinmässigt övervaka dessa miljöer. Aktuella reproduktionstester på Daphnia kan ta upp till 21 dagar att slutföra, säger Simpson. En metabolomik-strategi, å andra sidan, kan göras inom några minuter till timmar, och även över organismens livslängd.

"Nuvarande övervakningstekniker är långa och arbetsintensiva, säger Simpson, vars forskning tittar på effekterna av miljöförändringar i mark och vatten på molekylär nivå.

"I Ontario finns det så många sötvattensjöar och floder att man inte bara kan samla in och bearbeta prover tillräckligt snabbt."

Metabolomics metoder för att övervaka människors och miljöhälsan har utvecklats tidigare, men det här är första gången den testats för användning i det biologiska tidigvarningssystemet.

Tekniken är så granulär att den kan upptäcka pikogramnivåer (en biljondel av ett gram) av metaboliter i ett prov. Simpson säger jämfört med andra mycket känsliga "omics"-mått som genomik (gener) eller proteomik (proteiner), metabolomics är billigare, lättare och snabbare.

Tid och känslighet är avgörande när det gäller att övervaka vattenkvaliteten, konstaterar Jeong. När Daphnia utsätts för föroreningar, toxiciteten kan börja förändra dem i grunden på molekylär nivå, påverkar energinivån, förmåga att reproducera och orsaka genetiska förändringar.

"Om Daphnia inte är glada för att de är påverkade av föroreningar, du kommer att se det kaskad genom hela livsmedelswebben, " han säger.

"De är idealiska att använda för att studera vattenföroreningar eftersom, som en slutstensorganism, de är representativa för vad som händer i deras omgivande miljö."

Forskningen, som fick finansiering från Krembil Foundation och Ontarios miljöministerium, Bevarande och parker, publiceras i tidskriften Vattenforskning .

Paret skrev också en andra artikel som tittade på hur metaboliter kan fluktuera under Daphnias livslängd, som publiceras i tidskriften Miljövetenskap och teknik .

Eftersom metabolomik är så känslig, ett viktigt nästa steg för forskarna är att ta reda på hur man kan se skillnaden mellan små metaboliska förändringar som orsakas av föroreningar och mer extrema variationer.

"Vi måste definiera vad som är en liten förändring i ämnesomsättningen kontra en riktigt stor förändring som vi vet kommer att manifestera sig i något mycket värre, Säger Simpson.