Công cụ kiểm soát ô nhiễm môi trường mới

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tính nhạy cảm của phôi cá vài ngày tuổi để chế tạo một công cụ có khả năng nhận biết một số chất hóa học độc hại.

Bằng cách xác định tỷ lệ sử dụng oxy ở phôi cá đang phát triển nhạy cảm với chất ô nhiễm và các điều kiện căng thẳng, công nghệ kể trên có thể phát hiện sự xuất hiện ở nồng độ thấp của các chất độc hại trước khi chúng đem lại những tác hại đáng kể. Nhà nghiên cứu thuộc đại học Purdue, Marshall Porterfield, giáo sư kỹ thuật nông nghiệp và sinh học, cho biết công nghệ này có thể được sử dụng như một hệ thống cảnh báo sớm ô nhiễm môi trường hoặc thậm chí vũ khí sinh học.

Hô hấp là quá trình mà động vật và các cơ thể sống khác tiêu thụ oxy để tạo ra năng lượng, đây cũng thường là chức năng đầu tiên ở cá chịu ảnh hưởng của chất gây ô nhiễm. Công nghệ mới sử dụng sợi quang học để nhanh chóng kiểm soát hoạt động kể trên và cho kết quả trong vài phút đồng hồ.

Porterfield cho biết: “Ví dụ như bạn bị nhiễm một loại virut cảm thông thường. Trước khi các triệu chứng phát triển và bạn ý thức được sự có mặt của virut, nó đã tấn công các tế bào của bạn. Tương tự, các sinh vật khác chịu ảnh hưởng của các chất gây ô nhiễm trước khi những thay đổi về tập tính xuất hiện. Công nghệ của chúng tôi phát hiện những thay đổi không đo lường được và hoạt động như một hệ thống cảnh báo sớm”.

Trong nghiên cứu được công bố trực tiến trên tạp chí Environmental Science and Technology, hệ thống đã nhận biết sự có mặt của một số chất ô nhiễm thông thường ví dụ như thuốc diệt cỏ atrazine được sử dụng rộng rãi – thậm chí ở nồng độ gần hoặc dưới nồng độ cho phép đối với nước uống của Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA).

Marisol Sepulveda, tác giả chính đồng thời là giáo sư tài nguyên lâm nghiệp và tự nhiên tại Purdue cho biết: “Điều này có nghĩa là công nghệ của chúng tôi không chỉ giúp kiểm soát chất lượng môi trường mà có thể được sử dụng để áp chế các tiêu chuẩn quan trọng về chất lượng nước”.

Thử nghiệm cũng cho thấy những thay đổi trong hoạt động hô hấp của phôi cá khi kim loại năng Catmi xuất hiện ở nồng độ thấp hơn 60 lần giới hạn của EPA. Trong suốt cuộc nghiên cứu, các chất gây ô nhiễm không phá hủy trứng của cá tuế đầu to, một loài cá thường được sử dụng cho mục đích nghiên cứu. Điều này là minh chứng cho khả năng của công cụ mới trong việc xác định thay đổi nhỏ nhất trước khi chúng trở nên nghiêm trọng.

Trong phòng thí nghiệm đầu tiên các nhà nghiên cứu đặt một cực điện quang học nhỏ bên ngoài các phôi hai ngày tuổi của cá tuế đầu to. Brian Sanchez, đồng tác giả đống thời là nghiên cứu sinh bậc tiến sĩ tại Purdue cho biết, với đường kính 1,5 milimét, chúng nhỏ hơn đầu cái ghim một chút.

Một chất huỳnh quang bao phủ đầu điện cực, thuộc tính quang học của nó biến đổi tùy theo nồng độ oxy. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện đo đạc ở những vị trí chỉ cách nhau micromet, di chuyển điện cực bằng một động cơ được điều khiển bằng máy tính. Các thông tin đó cho phép các nhà nghiên cứu tính toán tỷ lệ hô hấp của phôi trứng. 

Các nhà nghiên cứu thuộc đại học Purdue sử dụng một cực điện quang học phải để xác địch lượng tiêu thụ oxy của phôi cá tuế đầu to hai ngày tuổi, có kích cỡ bằng nửa đầu một cái ghim. Bằng cách theo dõi những biến đổi xấu ở những quả trứng cá nhỏ bé này, công nghệ mới có thể được sử dụng như một dụng cụ kiểm soát ô nhiễm môi trường hoặc thậm chí cả vũ khí sinh học (Ảnh: Marshall Porterfield)

Sử dụng kỹ thuật tự tra cứu được Porterfield phát triển trong thập lỷ vừa qua, ông và nhóm nghiên cứu đã xác định sự có mặt hoặc không có mặt của chất gây ô nhiễm của từng trứng. Điều này cho phép từng phôi tự điều khiển và cung cấp kết quả đáng tin cậy hơn

Porterfield cho biết công nghệ mới có thể được sử dụng trên các sinh vật khác. Đồng tác giả của cuộc nghiên cưu Hugo Ochoa- Acuña đã bắt đầu chỉnh sửa để công nghệ có thể hoạt động với một loại giáp xác. Phiên bản thử nghiệm trên thực tế đầu tiên có thể hoàn thành trong 4 năm với tiến độ hiện nay, Porterfield cho biết. Công nghệ mới này đang được thí nghiệm với những quả trứng cố định trong điều kiện phòng thí nghiệm tuy nhiên, kế hoạch đặt ra là làm công cụ trở nên linh hoạt hơn.

Porterfield cũng cho biết ông nghĩ rằng công nghệ kể trên có thể có ứng dụng đa dạng. Nó có thể được kết hợp với tế bào u để tìm kiếm các loại thuốc ung thư tiềm năng hoặc các mục tiêu trị liệu mới. Trong quá trình nghiên cứu, công nghệ mới đã nhận biết 4 trong 5 loại chất ô nhiễm được thử nghiệm, tất cả đều phản ứng với sinh vật theo các cách khác nhau: atrazine, catmi, pentachlorophenol và xyanua. Nó không thể xác định được nồng độ thấp của thuốc trừ sâu malathion, có thể vì phôi cá tuế đầu to cần nhiều thời gian hơn để tác động trở nên rõ ràng. Độc tố có thể làm chậm quá trình hô hấp bằng cách trực tiếp cản trở hoặc chúng có thể buộc sinh vật tiêu thụ nhiều ôxy hơn để cung cấp thêm năng lượng để chống lại tác động của độc tố.

Sepulveda cho biết công nghệ tương tự khác được sử dụng rộng rãi kiểm soát chuyển động của mang và các hoạt động khác của cá mang xanh với điện cực được gắn vào cơ thể cá. Hệ thống của Purdue có thể có lợi thế hơn vì nó ghi chép hoạt động hô hấp trong giai đoạn nhay cảm của cá và thiệt bị quang học không tiêu thụ oxy hoặc cần kích cỡ giống hệt.

Nghiên cứu này, do Trung tâm môi trường của Purdue và Sở giáo dục Hoa Kỳ tài trợ, khác với các nghiên cứu của Sanchez. Ông tập trung vào tìm kiếm gen và protein như những chỉ thị sinh học đối với sự tác động của chất gây ô nhiễm lên cá.

Sanchez cho biết: “Nghiên cứu này thú vị hơn rất nhiều vì ứng dụng tiềm tàng của nó trong việc bảo vệ sức khỏe con người”.