Công nghệ mới giúp xác định nguồn ô nhiễm nước

Sử dụng PhyloChip đã từng đoạt giải thưởng, một thiết bị có kích thước thẻ tín dụng có thể phát hiện ra hơn 60.000 loài vi khuẩn, phương pháp mới này tỏ ra nhạy cảm hơn so với các phương pháp thông thường để đánh giá rủi ro sức khoẻ. Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Berkeley đã phát hiện ra những trường hợp mà phương pháp của họ đã xác định những rủi ro tiềm tàng đối với sức khoẻ con người mà các xét nghiệm chỉ thị phân thông thường không phát hiện được. Ngược lại, họ cũng tìm ra trường hợp các xét nghiệm thông thường đánh dấu vi khuẩn không nguy cơ đối với sức khoẻ con người.

bai206

Để phát triển một thư viện tham chiếu vi khuẩn, các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của berkeley đã thu thập các loài động vật khác nhau từ nhiều loại động vật khác nhau, cũng như bể phốt và cống rãnh. Nguồn ảnh: Phòng thí nghiệm Berkeley

Nghiên cứu này do Eric Dubinsky và Gary Andersen dẫn đầu các nhà sinh thái học vi sinh vật tại Berkeley Lab và đã được công bố trên tạp chí Water Research trong bài báo “Theo dõi nguồn vi sinh vật trong các lưu vực sông bị khiếm khuyết sử dụng phân loại PhyloChip và máy học.” Steven Butkus thuộc Ban kiểm soát chất lượng nước vùng Bắc Bờ biển Bắc, vốn hỗ trợ một phần nghiên cứu, cũng là đồng tác giả.

“Với PhyloChip, trong một bài kiểm tra qua đêm, chúng ta có thể có được một hình ảnh đầy đủ về vi sinh vật trong bất kỳ mẫu nào,” Dubinsky nói. Thay vì nhắm tới một sinh vật, chúng ta sẽ nhận được dấu vân tay của cộng đồng vi sinh vật tiềm ẩn trong mẫu đó.

Các cơ quan cấp nước địa phương hiện đang làm là thu thập mẫu nước, nuôi cấy vi khuẩn qua đêm, và sau đó kiểm tra mức sinh trưởng của hai loại vi khuẩn, E. coli và Enterococcus, được cho là các chỉ số ô nhiễm phân.

Sức mạnh của PhyloChip

Tuy nhiên, phương pháp này không phân biệt giữa các nguồn. Vi khuẩn có thể đến từ con người, bò, vịt, nước thải, hoặc thậm chí là phân rã thực vật.

“Những thử nghiệm này đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ và tương đối nguyên thủy”, Dubinsky nói. Các nghiên cứu dịch tễ học cho thấy mối liên quan giữa những vi khuẩn này với mức độ bệnh tật của những người sử dụng nước. Những vi khuẩn này không không nhất thiết làm cho bạn bị bệnh, nhưng chúng được tìm thấy trong chất thải và phân. Đó là lý do tại sao chúng được đo. “

Do sự ô nhiễm từ các nguồn điểm – một nguồn duy nhất có thể nhận biết được như nước thải – đã được làm sạch theo thời gian, mối quan tâm đang nổi lên đã trở thành những gì được biết đến như các nguồn không có nguồn gốc, hoặc các nguồn lan tỏa khắp vùng đầu nguồn, chẳng hạn như đất nông nghiệp.

“Hình ảnh phức tạp hơn bây giờ nhiều hơn nó, khi mối quan tâm thực sự là nguồn điểm”, Dubinsky nói thêm.

PhyloChip, được phát triển bởi Andersen và một số nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Berkeley, đã được sử dụng cho một số mục đích y tế, nông nghiệp và môi trường, bao gồm hiểu biết về ô nhiễm không khí, sinh thái các rạn san hô và các điều kiện môi trường của Vịnh Mexico sau sự cố tràn dầu BP. Với 1 triệu đầu dò, nó xác định các vi khuẩn dựa trên các biến thể của một gen cụ thể, mà không cần nuôi cấy.

Andersen nói: “Khoảng 7 năm trước, chúng tôi bắt đầu làm việc về chất lượng nước, và chúng tôi nhận ra rằng PhyloChip có thể cung cấp một phương pháp mới và được cải tiến để theo dõi nguồn”.

Thư viện Poop

Xác định nguồn gốc của bất kỳ loại mầm bệnh cụ thể nào không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Trong hầu hết các trường hợp, một con vi khuẩn không phải là dấu hiệu cuối cùng của động vật hoặc các nguồn khác. “Một cộng đồng vi sinh vật rất phức tạp,” Dubinsky nói. “Một con bò có thể có 1.000 sinh vật khác nhau.”

Vì vậy, Andersen và Dubinsky đã có một ý tưởng. Andersen cho biết: “Chúng tôi đã có Laleh Coté, một thực tập sinh vào thời điểm đó và bây giờ là một nhân viên phòng thí nghiệm, đi vòng quanh và thu thập về cơ bản những con vật từ tất cả các loại động vật. “Những gì chúng tôi đã làm kể từ đó là phát triển một thư viện tài liệu tham khảo của các cộng đồng vi khuẩn xảy ra trong các loại poop khác nhau – chúng tôi có bò, ngựa, gấu trúc, con người, các loại chim khác nhau, lợn, sư tử biển và các động vật khác, cũng như chất thải và chất bảo quản. Chúng tôi sử dụng thư viện đó để phát triển một mô hình. “

Phương pháp mới lấy mẫu chưa biết và so sánh nó với thư viện tham chiếu vi khuẩn này. Andersen cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng phyloChip theo cách mà nó chưa được sử dụng trước đây bằng cách sử dụng các mô hình học máy để phân tích dữ liệu để phát hiện và phân loại nguồn”. “Về cơ bản nó mang lại cho bạn một xác suất thống kê rằng một cộng đồng vi sinh vật đến từ một nguồn cụ thể.”

Họ đã xác nhận phương pháp của họ bằng cách so sánh nó với khoảng 40 phương pháp theo dõi nguồn vi sinh vật khác trong một nghiên cứu ở California. “Chúng tôi là phương pháp duy nhất có thể phát hiện ra tất cả các nguồn và đưa chúng đúng”, Dubinsky nói.

Nếu nguồn là một động vật không có trong thư viện tài liệu tham khảo, phương pháp của chúng vẫn có thể chỉ cho bạn đúng hướng. “Ví dụ, trong nghiên cứu đó, một mẫu là con gà”, Dubinsky nói. “Chúng tôi đã không phân tích gà, nhưng chúng tôi đã có con ngỗng, mòng biển và bồ câu. Chúng tôi vẫn có thể xác định rằng mẫu là một con chim.”

Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Berkeley đã phát hiện ra sự nhiễm bẩn tràn lan của con người gần các khu vực mà các cộng đồng dựa vào các bể tự hoại lão hóa.

Họ cũng phát hiện ra sự nhiễm bẩn đáng kể của con người ngay sau lễ hội jazz cuối tuần, trong khi thử nghiệm bằng các phương pháp thông thường đã cho thấy một tín hiệu yếu hơn sau một khoảng thời gian trễ vài ngày. Dubinsky cho biết: “Phương pháp của chúng tôi nhạy cảm với sự nhiễm bẩn của con người hơn là các xét nghiệm chỉ định phân.

Bước tiếp theo

Nhóm nghiên cứu hiện đang nghiên cứu đặc điểm cộng đồng vi sinh vật của E. coli và Enterococci tự nhiên, sử dụng Hawaii với nước ấm của nó làm nền tảng thử nghiệm. “Chúng có thể xảy ra tự nhiên trong các trầm tích và phân hủy tảo bẹ và thực vật” Dubinsky nói. “Nó được biết rằng họ làm, nhưng không ai đã phát triển một bài kiểm tra để hiển thị dứt khoát rằng.”

Các nhà nghiên cứu cũng sẽ có thể nghiên cứu xem khí hậu có ảnh hưởng đến các cộng đồng vi sinh vật. “Một con bò Hawaii trông giống như một con bò ở California về thành phần vi khuẩn phân? Đó là một câu hỏi hay và chúng ta sẽ có thể tìm hiểu”, ông nói.

Họ đang làm việc chặt chẽ với Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), nơi đang tìm kiếm các công nghệ mới cho cái gọi là “tuân thủ thế hệ mới”. Mục đích cuối cùng là phát triển phương pháp của họ – có thể với một phiên bản đã được thu nhỏ của PhyloChip – tới mức mà nó có thể được sử dụng phổ quát ở bất kỳ vị trí nào và bởi các chuyên gia không.

Dubinsky cho biết phương pháp này cũng hữu ích với các vấn đề nảy nở của tảo nảy nở, ví dụ như các quá trình hình thành, các động lực vi sinh trước và sau khi nở, và đặc biệt, liệu việc chảy trôi từ chăn nuôi ở miền Trung Tây liên quan đến nở hoa tảo ở Great Lakes, một câu hỏi mà họ đang điều tra với EPA.