Forskare från Singapore University of Technology and Design (SUTD) har visat en teknik som snabbt upptäcker föroreningar i vatten genom att mäta deras inverkan på simmikroorganismer.

Deras proof-of-concept, publicerad i Vetenskapliga rapporter , kräver inga kemikalier, reagenser eller laboratorieutrustning. Istället, det utnyttjar den vanliga kameran på en smartphone samt mikroorganismer som kallas Paramecia som är allestädes närvarande i vattendrag, vilket gör det särskilt lämpligt för att bedöma vattendrickbarhet i underutvecklade regioner.

Vanligtvis, halter av miljöföroreningar mäts genom att bedöma deras inverkan på en viss befolkning. Även om sådana effekter kan vara synliga efter flera dagar för mikroorganismer, det tar flera år för den verkliga skalan att avslöjas hos större djur.

För att påskynda dessa mätningar, forskare ledda av biträdande professor Javier Fernandez vid Fermart Lab använde en enkel datorseendemetod för att spåra och mäta påverkan av föroreningar på mikroorganismers beteende. Specifikt, de använde förändringarna i simhastigheten hos Paramecium aurelia – en encellig organism kan röra sig med överraskande hastigheter på mer än tio gånger sin kroppslängd per sekund.

"Vi väljer Paramecia eftersom de är allestädes närvarande i vattendrag och tillräckligt stora för att kunna ses med en vanlig kamera, " förklarade Fernandez. "De är också snabba simmare, så små skillnader i deras simhastighet kommer att översättas till stora förändringar, gör dem lätta att mäta."

Genom att spåra simhastigheter och rörelser för vattenburna Paramecia genom ett enkelt mikroskop inställt på kameratelefoner, de fann att de kunde sluta sig till förekomsten av föroreningar i vattenprover inom några minuter.

För att spåra Paramecia , laget spelade in videor, körde sedan en objektidentifierings- och spårningsalgoritm som skulle detektera varelserna automatiskt och beräkna deras simhastigheter och rörelser. "Simhastigheterna skiljer sig något mellan olika individer. Men med all denna data, vi kan minska effekten av den variationen och få allmänna egenskaper hos deras simning, sa Fernandez.

Genom sina ansträngningar, forskarna visade att simhastigheterna av Paramecia påverkas av föroreningar som tungmetallerna zinkklorid och kopparsulfat, samt det vanliga antibiotikumet erytromycin. Dessa förändringar inträffade inom intervallet för föroreningarnas tillåtna gränsvärden; till exempel, vid tungmetallkoncentrationer hälften av de som anses vara osäkra för dricksvatten, den genomsnittliga simhastigheten på Paramecia var nästan halverad.

Likaså, det skedde omedelbara och betydande minskningar av simhastigheten Paramecia vid koncentrationer som anses vara farliga – vilket potentiellt gör det möjligt för forskare att snabbt utvärdera en specifik förorenings inverkan i en specifik miljö.

"Ta ett vattenprov och mäta hastigheten på Paramecia kan därför användas som en enkel metod för att bedöma drickbarheten av vatten utan behov av specialutrustning eller kemikalier, sade Fernandez. Vanligtvis, du skulle behöva ett annat test för varje förorening, men Paramecia simning är ett globalt mått."

Teamet designade systemet under paraplyet av det som kallas "sparsam ingenjörskonst, " där avancerade metoder som objektspårning och analys utför uppgifter med minimala krusiduller, möjliggör utbredd tillämpning med små resurser.

Enligt författarna, det påvisade sambandet mellan mikroorganismernas simhastighet och förekomst av föroreningar, och dess bedömning på bara några minuter, kan användas som en enkel, resurslöst sätt att bedöma vattenkvalitet globalt eller som ett substitut för standardiserade metoder för att mäta toxicitet i laboratoriemiljöer.

"I framtiden, någon kanske provar en annan typ av mikroorganism. Olika föroreningar skulle påverka organismer olika, så att dra ihop data från flera mikroorganismer skulle göra det möjligt för oss att bättre förstå källan till föroreningarna, " avslutade Fernandez. "Det vi har visat bevisar att vi kan få information om vattenkvalitet på ett billigt och enkelt sätt, utan några tekniska instrument och på nolltid alls."