Metod för att detektera organiska föroreningar med hjälp av växter med införda kemiska receptorer av animaliskt ursprung. Kredit:Kobe University
Forskare vid Kobe Universitys Biosignal Research Center har framgångsrikt utvecklat växter som kan användas för att upptäcka organiska föroreningar, såsom polyklorerade bifenyler och hormonstörande kemikalier, som förorenar mark och vatten.
Teamet bestod av Petya Stoykova, mottagare av ett Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) postdoktoralt stipendium för forskning i Japan (nu forskare vid Bulgariens AgroBioInstitute), Kobe University Professor emeritus OHKAWA Hideo och professor INUI Hideyuki.
Nästa, de hoppas kunna använda växter för att utveckla bekväm och billig teknik för att övervaka toxicitet.
Dessa forskningsresultat publicerades online i två tidningar, som förekom separat i Journal of Plant Physiology den 29 juni och den Kemosfär den 22 juli.
Olika typer av organiska föroreningar finns i vår omgivande miljö. Välkända exempel inkluderar polyklorerade bifenyler (PCB) som användes i fluorescerande ljus och självkopierande kopieringspapper, fluororganiska föreningar som används för att göra saker vatten- och matoljebeständiga, som matförpackningar och köksredskap, och alkylfenoler, används som prekursorer för tvättmedel och andra produkter. Dessa organiska föroreningar har släppts ut i atmosfären, floder och jord, och de ämnen som är resistenta mot nedbrytning har förtärts av fisk, boskap och grödor, vilket resulterar i att dessa föroreningar ackumuleras i våra kroppar när deras nivåer har stigit hos andra arter. Ökad koncentration i kroppen resulterar i olika skadliga effekter som cancer, fosteravvikelser och immuntoxicitet.
Figur 2. Detektion av PCB (CB126) med användning av transgena växter med införd AhR-gen. (A) Detektering av CB126 genom att mäta reporteraktivitet. (B) Detektion av CB126 genom att jämföra växttillväxt. Kredit:Kobe University
För att förhindra att föroreningar som intas via mat samlas in i människokroppen, det är nödvändigt att övervaka föroreningsnivåerna i miljön, inklusive vattensystem (floder, sjöar, hav), fiskarter, atmosfären, jord och grödor. Resultaten gör det möjligt för oss att förstå typen och koncentrationen av föroreningar i ett område. Detta kommer att göra det möjligt att vidta lämpliga åtgärder. till exempel undvikande av odling av grödor där markföroreningar upptäcks och genomförande av föroreningstester på fisk som fångats i floder som visar sig vara förorenad. Med andra ord, detta kommer att göra det möjligt att välja och genomföra åtgärder för att mildra de skadliga effekterna av föroreningar på människor.
Miljöövervakning är undersökningen av typen och koncentrationen av föroreningar i ett miljöprov; detta involverar flera processer. Till exempel, att undersöka ett jordprov, det är nödvändigt att tillsätta ett organiskt lösningsmedel och sedan extrahera det kemiska ämnet från jordprovet efter att ha värmts upp över natten. Nästa, det integrerade organiska lösningsmedlet och den kemiska substansen avlägsnas från jorden och koncentrerad svavelsyra tillsätts för att avlägsna pigmentering. Koncentrationen av organiska föroreningar i provet är mycket låg, så det är nödvändigt att kondensera det extraherade ämnet så att det når en koncentration som är möjlig att analysera. Senare, detta kondensat bearbetas genom flera separationskolonner och föroreningarna elueras från kolonnerna med hjälp av organiska lösningsmedel som motsvarar egenskaperna hos de specifika föroreningarna. Nästa, det är nödvändigt att avlägsna föroreningar från provet för att bara extrahera målföroreningen. Detta kallas rening. Denna serie av steg (extraktion, koncentration och rening) kallas gemensamt för förbehandling, och måste utföras för att analysera spårmängder av organiska föroreningar i ett prov.
Slutligen, analytiska kemitekniker såsom gaskromatografi-masspektrometri (GC-MS) och vätskekromatografi-masspektrometri (LC-MS) tillämpas på det förbehandlade provet. Genom att analysera de resulterande spektraldata som indikerar närvaron av kontaminerande ämnen, det är möjligt att bestämma typen (speciering) och koncentrationen (fast mängd) av föroreningar i provet.
Miljöövervakning utförs enligt de officiella analysmetoderna i varje land och detta spelar en avgörande roll vid identifiering och kvantifiering av organiska föroreningar. Dock, förbehandlingsstegen kräver stora mängder svavelsyra och olika typer av flyktiga organiska lösningsmedel för att användas, och denna exponering är farlig för dem som utför processerna.
En mer skicklig teknik är därför nödvändig för att omvandla de minimala föroreningsmängder som finns i miljöprover (som har genomgått komplex förbehandling) till prover som kan analyseras. Vidare, användningen av dyra apparater som GC/MS och LC/MS (som kan kosta mellan hundratusentals till miljoner US-dollar) ökar kostnaden för den analytiska processen. För att få en korrekt bedömning av kontamineringens omfattning, det är nödvändigt att erhålla många miljöprover. Dock, Det är bara möjligt att analysera ett fåtal representativa prover på grund av de oöverkomliga kostnaderna för nuvarande metoder. Även om instrumentell analys är lämplig för att bestämma typen och koncentrationen av varje förorening i ett miljöprov, denna metod kan inte berätta hur giftigt varje förorening är, inte heller den totala toxiciteten för flera föroreningar i ett enda prov.
Figur 3. Detektion av oktylfenol (OP) med användning av transgena växter med införd ER-gen. (A) Detektion av OP från inducerad reporteraktivitet. (B) Detektion av OP genom att jämföra växtrottillväxt. Kredit:Kobe University
Som svar, detta forskarteam utvecklade en övervakningsmetod som skiljer sig helt från tidigare metoder, som kräver förbehandlingar och dyrbar apparatur för att bestämma typen och koncentrationen av föroreningar i ett miljöprov.
Djur har proteiner som kallas kemiska receptorer, som känner igen och fångar upp kemiska ämnen som penetrerar cellerna utifrån kroppen. När en receptor binder till ett främmande ämne inuti cellen, det aktiverar transkriptionen av en specifik gen. Den vanliga funktionen hos proteinet som skapas av denna gen är att reagera med det främmande ämnet och utsöndra det från kroppen.
Ett exempel på denna typ av receptor är AhR (Aryl-kolvätereceptor). Inuti cellerna, AhR binder till dioxiner och PCB från förorenade livsmedel. Sedan skapar det ett enzym som kan omvandla dessa till ämnen som lätt löses i vatten, på så sätt främjar deras utsöndring från kroppen. Därför, AhR spelar en viktig roll för att indikera om dioxiner och PCB är giftiga för djur eller inte.
Dessutom, östrogenreceptorn (ER) svarar på hormoner som skapas i ett djurs kropp och är involverad i uttrycket av viktiga gener för morfogenes och tillväxt. ER binder till det kvinnliga hormonet estradiol och reglerar strikt tidpunkten och mängden av genetisk transkriptionsaktivering för proteinet som ska produceras som svar på hormonet. Dock, om ER istället binder till en hormonstörande kemikalie som kommit in i kroppen via mat eller vatten, då stör detta timingen och nivån av gentranskriptionsaktivering, resulterar i skadliga effekter.
Växter, å andra sidan, inte kan röra sig när de väl har slagit rot, så att deras rötter breder ut sig under marken för att få de nödvändiga näringsämnena för tillväxt. De kan absorbera tillräckligt med näringsämnen även när koncentrationerna är låga eftersom de fortsätter att förlänga sina rötter. Med andra ord, växter har förmågan att samla kemiska ämnen som tas upp från jorden via sina rötter.
Figur 4. Organiska föroreningar detekterade med hjälp av växter med införda kemiska receptorer av animaliskt ursprung. Kredit:Kobe University
Detta forskarteam kom på idén till en metod för att övervaka miljöföroreningar, som innebär att kemiska receptorer av animaliskt ursprung introduceras i en växt, och använda dem för att upptäcka föroreningar som absorberas av växten. De skapade en AhR-anläggning för PCB-övervakning och en ER-anläggning för övervakning av hormonstörande kemikalier. När dessa växter odlades i jord och kulturer som innehöll respektive föroreningar, de föroreningar som tas upp av rötterna bundna till receptorerna inuti cellerna, aktivera transkriptionen av reportergenen. Således är det möjligt att övervaka föroreningar genom att upptäcka denna reporter.
AhR-anläggningar kan detektera CB126, vilket är det giftigaste PCB, såväl som andra typer (CB77, CB118). Å andra sidan, ER-anläggningar kan detektera oktylfenol (OP, en typ av alkylfenol) förutom det kvinnliga hormonet 17ß-estradiol, insekticiderna fipronil och imidakloprid, och organofluorperfluoroktansulfonsyra (PFOS). Det är känt att dessa kemikalier förorenar mark- och vattensystem. Forskargruppen fann att dessa växter visade albinism och strukturella abnormiteter som kortare rötter när föroreningar var närvarande. Detta indikerar att det är möjligt att detektera föroreningar på ett observerbart sätt som är ännu enklare än reporterdetektering.
Resultaten av denna forskning visar att det är onödigt att samla in stora miljöprover för övervakning och att det är möjligt att upptäcka föroreningar med hjälp av små mängder jord (några gram) eller vatten (cirka 10 milliliter). Vidare, det är möjligt att undersöka om ett miljöprov innehåller giftiga kemiska ämnen med övervakningsmetoden som använder kemiska receptorer för att indikera toxicitet.
För miljöövervakning av organiska föroreningar, det är viktigt att samla in så många prover som möjligt för att korrekt förstå omfattningen av föroreningen. Dock, Det är inte möjligt för många prover att analyseras med nuvarande officiella metoder på grund av hur mycket tid och pengar detta skulle kräva. Metoden som detta forskarteam har utvecklat är mycket enklare, och kräver bara att växter odlas med ett litet prov av jord och vatten, och närvaron av föroreningar som ska bedömas via reporterdetektering och observation av växttillväxt. Vidare, det gör det också möjligt att utvärdera toxiciteten hos föroreningar som inte omfattas av officiella metoder. Därför, denna nya metod skulle vara lämplig för screening av många miljöprover innan bekräftelse av typ och koncentration av föroreningar enligt officiella analysmetoder.
I den här studien, forskarna har visat att det är möjligt att övervaka PCB och miljöhormoner genom att introducera AhR och ER i växter. Dock, djur har många andra kemiska receptorer förutom AhR och ER. Detta bör följaktligen göra det möjligt att tillämpa denna metod för toxicitetsövervakning av andra kemiska ämnen genom att introducera olika typer av receptorer i växter.
