Farbwechselindikator sagt Algenblüten voraus

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Algenblüte

Gesundheit Warnzeichen, dass Wasser schädliche Algen in Swan River, Perth, Western Australia enthält.

A Ein Überschuss an Phosphor in Süßwassersystemen lässt Algen wie Phytoplankton und Cyanobakterien außer Kontrolle geraten und das Wasser in eine „Erbsensuppe“ dieser Organismen verwandeln. Blüten können die Trinkwasserversorgung gefährden, da einige Algenarten unangenehme Gerüche oder Giftstoffe freisetzen. Aber wenn die Menschen wüssten, wann sich wahrscheinlich eine Algenblüte entwickeln würde, könnten sie dies durch Entfernen oder Töten der Algen verhindern, bevor sie zu einem Problem werden.

Jetzt berichten Forscher von ACS Applied Nano Materials über einen Indikator, der seine Farbe ändert, wenn er einem steigenden Gehalt an alkalischer Phosphatase ausgesetzt wird – einem Enzym, das das exponentielle Wachstum von Phytoplankton vorhersagt. Diese Veränderung kann mit bloßem Auge oder einem Smartphone erkannt werden.

Zuvor zeigten Jingjing Deng und Kollegen, dass alkalische Phosphatase dabei hilft, bioverfügbaren Phosphor aus komplexen Verbindungen freizusetzen, und dass steigende Spiegel des Enzyms phosphorbedingte Algenblüten vorhersagen könnten. Derzeitige Nachweismethoden für alkalische Phosphatase sind jedoch nicht sehr empfindlich oder spezifisch. Daher wollten die Forscher die durch alkalische Phosphatase katalysierte Reaktion nutzen, um in einer Wasserprobe sowohl Fluoreszenz als auch sichtbare Farbänderungen zu induzieren.

Um den Farbwechselindikator herzustellen, kombinierten die Forscher zunächst Kupferionen mit Guanosin-5-monophosphat und bildeten kugelförmige Nanopartikel. Als nächstes fügten sie zwei Verbindungen (1,1,2,2-Tetra(4-carboxylphenyl)ethylen und Sulforhodamin 101) in die Nanopartikel ein. Das Ergebnis war eine tiefblaue Lösung im sichtbaren Licht, die unter UV-Licht bläulich-violett fluoreszierte. In Gegenwart von alkalischer Phosphatase veränderte sich die Lösung unter UV-Licht in einen rosa Farbton und eine starke rote Fluoreszenz.

Die Forscher testeten den Indikator mit Wasser von 13 Flussstandorten, die nur begrenzt bioverfügbaren Phosphor aufwiesen, und berechneten die Rot-zu-Blau-Fluoreszenzverhältnisse mit der Farbscan-App eines Smartphones. Sie fanden heraus, dass die tragbare digitale Methode alkalische Phosphatase zuverlässig detektierte und so robust war wie Labormessungen der Fluoreszenz des Indikators. Die Forscher züchteten im Labor auch Toxin-produzierende Cyanobakterien, fütterten sie mit komplexen phosphorhaltigen Verbindungen und maßen die Veränderungen der alkalischen Phosphatase. Am dritten Tag wurde ein starker Anstieg der Enzymaktivität sowohl bei Fluoreszenz als auch bei sichtbaren Farbänderungen festgestellt. Einige Tage später wuchsen die Algen exponentiell.

Da der Indikator und das Smartphone-basierte System den Aktivitätsanstieg vor einer Blüte erkannten, könnten die Forscher es für die Echtzeit-Feldüberwachung und -vorhersage entwickeln.

Die Autoren bestätigen die Förderung durch die Nationale Natural Science Foundation in China, das National Key R&D Program of China, das Shanghai Engineering Research Center of Biotransformation of Organic Solid Waste und die Fundamental Research Funds for the Central Universities.

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