En av de första sakerna som jag tänker på när du tänker på Hawaii är varma, tropiska stränder med inbjudande, klart vatten. Faktiskt, gynnsam strandvattenkvalitet är livsnerven för Hawaiis 18 miljarder dollar årliga turistindustri, den största enskilda bidragsgivaren till statens ekonomi. Så, det kommer inte som någon överraskning att Hawaii vattentjänstemän kontinuerligt övervakar föroreningskällor som kan hota deras huvudattraktion.

I åratal, rutintestning har visat att vattendelar i Mahaulepu-dalen och Waikomo-strömmen i sydöstra Kauai ofta innehåller höga halter av potentiellt patogena fekala indikatorbakterier (FIB). Även om tidigare undersökningar har dragit slutsatsen att FIB inte införs i vattnet via avloppsläckor eller olaglig avloppstömning, Hawaii Department of Health (DOH) förblev oroad över källan. För att bättre förstå orsaken till de höga FIB -värdena, DOH beställde en studie av Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) mikrobiella ekologer Gary Andersen och Eric Dubinsky.

Duon bjuds ofta in att leda mikrobiella vattenbedömningsprojekt tack vare deras expertis och oöverträffade verktygslåda, som kretsar kring en mikrobiell detekteringsteknik i kreditkortsstorlek som kallas PhyloChip. Uppfanns av Andersen och andra på Berkeley Lab 2008, PhyloChip har tidigare använts för att övervaka vatten i San Francisco Bay Area, tropiska vatten runt korallrev, och i hela Singapore.

Efter att ha analyserat prover från 13 platser i inlandet och vid kusten som tagits under ett år, forskarna drog slutsatsen att det inte fanns något detekterbart mänskligt avloppsvatten i Mahaulepus vattendelare, Det fanns inte heller någon betydande förekomst av boskap eller avföring av fågeldjur. Två bäckplatser inom vattendelen visade isolerade incidenter av kontaminering av svin och ko, ändå var det populära strandområdet nedströms från dessa platser rent.

"PhyloChip kan snabbt profilera hela det mikrobiella samhället som finns i vattenproverna och använda denna information för att upptäcka bakterier som är unika för specifika djur- eller mänskliga källor, "sa Dubinsky, som också är projektforskare vid University of California Berkeleys Department of Environmental Science, Policy &Management. "Till skillnad från konventionella tester för fekal kontaminering, som använder en handfull eller till och med bara en enda art för att identifiera risken för kontaminering, vårt tillvägagångssätt använder en mångfald av hundratals olika bakterier som är karakteristiska för varje fekal källa. På samma gång, det kan upptäcka nästan 60, 000 arter av bakterier och arkéer, vilket betyder att vi kan hitta farliga mikrober som finns i en vattenkälla även om vi inte förutser dem."

I den närliggande vattendelaren Waikomo – ett område som inkluderar Poipu-stranden, en av öns mest populära turistmål - Dubinsky och Andersen hittade bara minimala bevis på människans avföring. PhyloChip-data antydde att en strand hade förorenats med mänsklig avföring av ett närliggande hotells avloppsbrunn. Intressant, denna plats hade inte identifierats av tidigare övervakning med traditionella FIB-tester.

Efter att ha dämpat rädslan för omfattande läckage av avloppssystem, forskarna föreslår att de historiskt höga FIB-nivåerna är en vilseledande alarmerande konsekvens av att använda gamla skolans testmetoder, ingen av dem var designad för användning i tropikerna.

Dubinsky och Andersen tror att förekomsten av FIB i Kauais vatten sannolikt beror på enterokocker och Clostridium perfringens - ett släkte och en art, respektive, som vanligtvis växer inuti djurens matsmältningsorgan - som blomstrar i miljön utanför deras typiska biologiska värdar. De noterar att detta fenomen är vanligt i tropiska regioner, tack vare värmen och fuktigheten, och den naturliga närvaron av dessa bakterier i vatten innebär inte nödvändigtvis att människor löper större risk att drabbas av gastrointestinala sjukdomar. Dock, många vanliga tester för upptäckt av fekala bakterier som används för att övervaka simhål och stränder använder dessa organismer som markörer för farlig förorening.

"PhyloChip kan uppnå en extremt hög nivå av förtroende för att upptäcka specifika föroreningskällor genom en unik process som undersöker över en miljon DNA-sekvenser samtidigt, sa Andersen, en senior forskare inom området biovetenskap.

Under 2017, PhyloChip fick intresse från US Environmental Protection Agency (EPA). Pågående studier mellan Andersen-labbet och vid EPA använder tekniken för att utvärdera avrinning av fekalt jordbruk i flera vattendelar genom USA, inklusive Nebraska, Kansas, Georgien, Louisiana, Washington, och Massachusetts. "Vårt mål är att replikera och granska data som producerats med PhyloChip-metoden så att vi kan jämföra den med andra källspårningsmetoder, sa Steven Baker, den co-lead forskaren i detta projekt från EPA Region 7. "Att öka vårt förtroende för att identifiera när specifika källor till fekal kontaminering uppstår stärker vår förmåga att fatta korrekta förvaltningsbeslut och hjälper oss att prioritera var vi ska placera våra begränsningsinsatser."

Utöver sina miljöövervakningsapplikationer, PhyloChip kan möjliggöra framsteg när det gäller att förstå och förbättra människors hälsa. Andra genomet, Inc. har licensierat tekniken för att upptäcka och utveckla terapier baserade på mål som identifierats genom undersökning av den mänskliga mikrobiomen.