Onderzoekers ontwikkelen een nieuwe klasse van nanobionische sensoren voor planten om het arseengehalte in de bodem te controleren

Wetenschappers van Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), een interdisciplinaire onderzoeksgroep (IRG) bij de Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), de onderzoeksonderneming van MIT in Singapore, hebben een nieuw type plantaardige nanobionische optische sensor ontwikkeld die in real-time niveaus van het zeer giftige arseen van zware metalen in de ondergrondse omgeving kunnen detecteren en bewaken. Deze ontwikkeling biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van conventionele methoden die worden gebruikt om arseen in het milieu te meten en zal belangrijk zijn voor zowel milieumonitoring als landbouwtoepassingen om de voedselveiligheid te waarborgen, aangezien arseen een verontreinigende stof is in veel gangbare landbouwproducten zoals rijst, groenten en theebladeren. .

Deze nieuwe benadering wordt beschreven in een paper met de titel “Plant Nanobionic Sensors for Arsenic Detection”, onlangs gepubliceerd in Geavanceerde materialen. De paper werd geleid door Dr. Tedrick Thomas Salim Lew, een recent afgestudeerde student van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en co-auteur van Michael Strano, co-hoofdonderzoeker van DiSTAP en Carbon P. Dubbs Professor aan het MIT, zoals evenals Minkyung Park en Jianqiao Cui, beide afgestudeerde studenten aan het MIT.

Arseen en zijn verbindingen vormen een ernstige bedreiging voor mensen en ecosystemen. Langdurige blootstelling aan arseen bij mensen kan een breed scala aan schadelijke gezondheidseffecten veroorzaken, waaronder hart- en vaatziekten zoals een hartaanval, diabetes, geboorteafwijkingen, ernstige huidlaesies en talrijke kankers, waaronder die van de huid, blaas en long. Verhoogde arseengehaltes in de bodem als gevolg van antropogene activiteiten zoals mijnbouw en smelten zijn ook schadelijk voor planten, remmen de groei en resulteren in aanzienlijke oogstverliezen. Nog verontrustender is dat voedselgewassen arseen uit de bodem kunnen opnemen, wat leidt tot besmetting van voedsel en producten die door mensen worden geconsumeerd. Arseen in ondergrondse omgevingen kan ook grondwater en andere ondergrondse waterbronnen verontreinigen, waarvan de consumptie op lange termijn ernstige gezondheidsproblemen kan veroorzaken. Als zodanig is het ontwikkelen van nauwkeurige, effectieve en eenvoudig in te zetten arseensensoren belangrijk om zowel de landbouwsector als de bredere milieuveiligheid te beschermen.

Deze nieuwe optische nanosensoren ontwikkeld door SMART DiSTAP vertonen veranderingen in hun fluorescentie-intensiteit na detectie van arseen. Deze sensoren zijn ingebed in plantenweefsels zonder schadelijke effecten op de plant en bieden een niet-destructieve manier om de interne dynamiek van arseen dat door planten uit de bodem wordt opgenomen, te volgen. Deze integratie van optische nanosensoren in levende planten maakt het mogelijk om planten om te zetten in zelfaangedreven detectoren van arseen uit hun natuurlijke omgeving, wat een aanzienlijke verbetering betekent ten opzichte van de tijd- en apparatuurintensieve arseenbemonsteringsmethoden van de huidige conventionele methoden.

Hoofdauteur Dr. Tedrick Thomas Salim Lew zei: “Onze op planten gebaseerde nanosensor is niet alleen opmerkelijk omdat hij de eerste in zijn soort is, maar ook vanwege de aanzienlijke voordelen die hij biedt ten opzichte van conventionele methoden voor het meten van arseengehalten in de ondergrondse omgeving, waardoor minder tijd, apparatuur en mankracht. We voorzien dat deze innovatie uiteindelijk op grote schaal zal worden gebruikt in de landbouwsector en daarbuiten. Ik ben SMART DiSTAP en Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) dankbaar, die beide een belangrijke rol hebben gespeeld bij het genereren van ideeën en de wetenschappelijke discussie evenals onderzoeksfinanciering voor dit werk. “

Naast het detecteren van arseen in rijst en spinazie, gebruikte het team ook een varensoort, Pteris cretica, die arseen kan hyperaccumuleren. Deze varensoort kan hoge niveaus van arseen absorberen en verdragen zonder nadelig effect – door een ultragevoelige plantgebaseerde arseendetector te ontwikkelen die in staat is om zeer lage concentraties arseen te detecteren, zo laag als 0,2 delen per miljard (ppb). Daarentegen is de wettelijke limiet voor arseendetectoren 10 delen per miljard. Met name kunnen de nieuwe nanosensoren ook worden geïntegreerd in andere plantensoorten. Dit is de eerste succesvolle demonstratie van levende plant-gebaseerde sensoren voor arseen en vertegenwoordigt een baanbrekende vooruitgang die zeer nuttig zou kunnen zijn in zowel landbouwonderzoek (bijv. Om arseen opgenomen door eetbare gewassen voor voedselveiligheid te monitoren) als in algemene milieumonitoring. .

Eerder omvatten conventionele methoden voor het meten van arseengehaltes regelmatige veldmonsters, vertering van plantenweefsel, extractie en analyse met behulp van massaspectrometrie. Deze methoden zijn tijdrovend, vereisen een uitgebreide monsterbehandeling en vereisen vaak het gebruik van omvangrijke en dure instrumenten. De nieuwe methode van SMART DiSTAP om sensoren van nanodeeltjes te koppelen aan het natuurlijke vermogen van planten om analyten efficiënt via de wortels te extraheren en te transporteren, maakt de detectie van arseenopname in levende planten in realtime mogelijk met draagbare, goedkope elektronica, zoals een draagbaar Raspberry Pi-platform uitgerust met een charge-coupled device (CCD) camera, vergelijkbaar met een smartphonecamera.

Co-auteur, DiSTAP co-lead Principal Investigator, en MIT Professor Michael Strano voegde toe: “Dit is een enorm opwindende ontwikkeling, aangezien we voor de eerste keer een nanobionische sensor hebben ontwikkeld die arseen kan detecteren – een ernstige milieuverontreiniging en potentieel bedreiging voor de volksgezondheid. Met zijn talloze voordelen ten opzichte van oudere methoden voor arseendetectie, zou deze nieuwe sensor een game-changer kunnen zijn, aangezien hij niet alleen tijdefficiënter is, maar ook nauwkeuriger en gemakkelijker te implementeren dan oudere methoden. Het zal ook helpen plantenwetenschappers in organisaties zoals TLL om gewassen verder te produceren die de opname van giftige elementen weerstaan. Geïnspireerd door de recente inspanningen van TLL om rijstgewassen te creëren die minder arseen opnemen, is dit werk een parallelle inspanning om de inspanningen van SMART DiSTAP op het gebied van voedselzekerheid verder te ondersteunen, voortdurend innoveren en nieuwe technologische mogelijkheden ontwikkelen om de voedselkwaliteit en -veiligheid in Singapore te verbeteren. ”