Индикатор, меняющий цвет, предсказывает цветение водорослей

Цветение водорослей не только портит вид водоемов, но и сигнализирует об их потенциальной опасности для купания или питья. Однако эффективной системы раннего предупреждения о приближающемся цветении до сих пор не существует. Исследователи в ACS Applied Nano Materials представили индикатор, который меняет цвет при повышении уровня щелочной фосфатазы — фермента, предвещающего экспоненциальный рост фитопланктона. Это изменение можно заметить невооруженным глазом или с помощью смартфона.

Избыток фосфора в пресноводных системах вызывает неконтролируемый рост водорослей (фитопланктона и цианобактерий), превращая воду в "гороховый суп". Цветение может угрожать источникам питьевой воды, так как некоторые виды водорослей выделяют неприятные запахи или токсины. Если бы можно было предсказать начало цветения, проблему можно было бы решить, удалив или уничтожив водоросли до ее возникновения. Ранее Цзинцзин Дэн и коллеги показали, что щелочная фосфатаза помогает высвобождать биодоступный фосфор из сложных соединений, а повышение ее уровня может предсказывать связанное с фосфором цветение водорослей. Однако существующие методы обнаружения щелочной фосфатазы недостаточно чувствительны или специфичны. Поэтому исследователи решили использовать реакцию, катализируемую этим ферментом, чтобы вызвать изменения как флуоресценции, так и видимого цвета в образце воды.

Для создания индикатора исследователи сначала соединили ионы меди с гуанозин-5-монофосфатом, получив сферические наночастицы. Затем они включили в эти наночастицы два соединения: 1,1,2,2-тетра(4-карбоксилфенил)этилен и сульфородамин 101. В результате получился раствор темно-синего цвета при видимом свете, который под УФ-светом флуоресцировал сине-фиолетовым. В присутствии щелочной фосфатазы раствор становился розоватым, а под УФ-светом проявлялась сильная красная флуоресценция.

Исследователи протестировали индикатор на воде из 13 точек рек с ограниченным содержанием биодоступного фосфора, рассчитав соотношение красной и синей флуоресценции с помощью цветового сканирующего приложения на смартфоне. Они обнаружили, что этот портативный цифровой метод надежно обнаруживает щелочную фосфатазу и так же эффективен, как и лабораторные измерения флуоресценции индикатора. Также ученые вырастили в лаборатории токсинопродуцирующие цианобактерии, кормили их сложными фосфорсодержащими соединениями и измеряли изменения уровня щелочной фосфатазы. На третий день был зафиксирован значительный рост активности фермента как по флуоресценции, так и по видимому изменению цвета. Спустя несколько дней водоросли начали расти экспоненциально. Поскольку индикатор и система на основе смартфона обнаруживают всплеск активности до начала цветения, исследователи считают, что эту технологию можно развивать для мониторинга и прогнозирования в реальном времени в полевых условиях.