Kleurveranderende indicator voorspelt algenbloei

Troebele groene algenbloei is meer dan een grote doorn in het oog; ze onthullen dat een waterlichaam onveilig kan zijn om te zwemmen of te drinken. Momenteel is er echter geen effectief waarschuwingssysteem voor dreigende bloei. Nu, onderzoekers in ACS toegepaste nanomaterialen rapporteren een indicator die van kleur verandert bij blootstelling aan stijgende niveaus van alkalische fosfatase – een enzym dat de exponentiële groei van fytoplankton voorspelt. Deze verandering kan worden gedetecteerd met het blote oog of een smartphone.

Een overschot aan fosfor in zoetwatersystemen zorgt ervoor dat algen, zoals fytoplankton en cyanobacteriën, uit de hand lopen, waardoor het water verandert in een “erwtensoep” van deze organismen. Bloei kan een bedreiging vormen voor de drinkwatervoorziening omdat sommige algensoorten onaangename geuren of gifstoffen afgeven. Maar als mensen wisten wanneer een algenbloei zich zou kunnen ontwikkelen, zouden ze deze kunnen beheersen door de algen te verwijderen of te doden voordat ze een probleem worden. Eerder toonden Jingjing Deng en collega’s aan dat alkalische fosfatase helpt bij het vrijmaken van biologisch beschikbare fosfor uit complexe verbindingen, en dat stijgende niveaus van het enzym fosforgerelateerde algenbloei kunnen voorspellen. De huidige detectiemethoden voor alkalische fosfatase zijn echter niet erg gevoelig of specifiek. Dus wilden de onderzoekers de door alkalische fosfatase gekatalyseerde reactie gebruiken om zowel fluorescentie als zichtbare kleurveranderingen in een watermonster te induceren.

Om de kleurveranderende indicator te maken, combineerden de onderzoekers eerst koperionen met guanosine-5-monofosfaat, waardoor sferische nanodeeltjes werden gevormd. Vervolgens namen ze twee verbindingen (1,1,2,2-tetra(4-carboxylfenyl)ethyleen en sulforhodamine 101) op in de nanodeeltjes. Het uiteindelijke resultaat was een diepblauwe oplossing in zichtbaar licht die blauw-paars fluoresceerde onder UV-licht. In aanwezigheid van alkalische fosfatase verschoof de oplossing onder UV-licht naar een roze tint en een sterke rode fluorescentie.

De onderzoekers testten de indicator met water uit 13 rivierlocaties met beperkte biologisch beschikbare fosfor, waarbij ze de rood-naar-blauwe fluorescentieverhoudingen berekenden met de app voor het scannen van kleuren op een smartphone. Ze ontdekten dat de draagbare digitale methode alkalische fosfatase betrouwbaar detecteerde en even robuust was als tafelmetingen van de fluorescentie van de indicator. De onderzoekers kweekten ook toxineproducerende cyanobacteriën in het laboratorium, voerden ze complexe fosforbevattende verbindingen en maten de veranderingen in alkalische fosfatase. Op de derde dag werd een grote toename in enzymactiviteit gedetecteerd met zowel fluorescentie als zichtbare kleurveranderingen. Een paar dagen later groeiden de algen exponentieel. Omdat de indicator en het op smartphones gebaseerde systeem de activiteitspiek vóór een bloei detecteerde, zeggen de onderzoekers dat het kan worden ontwikkeld voor realtime veldmonitoring en -voorspelling.