Menschen assoziieren Escherichia coli oft mit kontaminierten Lebensmitteln, aber E. coli ist seit langem ein Arbeitstier in der Biotechnologie. Wissenschaftler der University of California, Irvine, haben gezeigt, dass das Bakterium einen weiteren Wert als Teil eines Systems zum Nachweis von Schwermetallverunreinigungen in Wasser hat.
E. coli zeigt eine biochemische Reaktion in Gegenwart von Metallionen, eine geringfügige Veränderung, die Forscher mit chemisch zusammengesetzten optischen Sensoren aus Goldnanopartikeln beobachten konnten. Durch eine maschinelle Lernanalyse der optischen Spektren von Metaboliten, die als Reaktion auf Chrom- und Arsenbelastung freigesetzt wurden, konnten die Wissenschaftler Metalle in Konzentrationen nachweisen, die milliardenfach niedriger waren als diejenigen, die zum Zelltod führten – und gleichzeitig die Schwermetallart ableiten konnten und Betrag mit einer Genauigkeit von mehr als 96 Prozent.
Der Prozess, von dem die Forscher sagten, dass er in etwa 10 Minuten durchgeführt werden kann, ist Gegenstand einer Studie, die in erscheint Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Diese von UCI-Forschern entwickelte neue Wasserüberwachungsmethode ist hochempfindlich, schnell und vielseitig“, sagte Co-Autorin Regina Ragan, UCI-Professorin für Materialwissenschaften und -technik. „Es kann umfassend eingesetzt werden, um Giftstoffe an ihren Quellen in Trink- und Bewässerungswasser sowie in landwirtschaftlichen und industriellen Abflüssen zu überwachen. Dieses System kann eine Frühwarnung vor Schwermetallverunreinigungen liefern, um die menschliche Gesundheit und Ökosysteme zu schützen.“
Neben dem Nachweis, dass Bakterien wie E. coli verunreinigtes Wasser erkennen können, stellten die Forscher die anderen notwendigen Komponenten in den Mittelpunkt – Goldnanopartikel, die mit molekularer Präzision und maschinellen Lernalgorithmen zusammengesetzt wurden – was die Empfindlichkeit ihres Überwachungssystems erheblich verbesserte. Ragan sagte, es könne zur Erkennung von Metallgiften – einschließlich Arsen, Cadmium, Chrom, Kupfer, Blei und Quecksilber – in Größenordnungen unterhalb der behördlichen Grenzwerte eingesetzt werden, um eine Frühwarnung vor einer Kontamination zu geben.
In der Studie erklärten die Wissenschaftler, dass sie trainierte Algorithmen auf unsichtbare Leitungswasser- und Abwasserproben anwenden können, was bedeutet, dass das System auf Wasserquellen und -versorgungen überall auf der Welt verallgemeinert werden kann.
„Diese Transfer-Lernmethode ermöglichte es den Algorithmen, mit einer Genauigkeit von mehr als 96 Prozent und mit einer Genauigkeit von 92 Prozent für behandeltes Abwasser zu bestimmen, ob Trinkwasser innerhalb der von der US-Umweltschutzbehörde und der Weltgesundheitsorganisation empfohlenen Grenzwerte für jeden Schadstoff lag“, sagte Ragan.
„Der Zugang zu sauberem Wasser ist für die Gesundheit der Menschen und des Planeten notwendig“, fügte sie hinzu. „Neue Technologie, die kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden kann, ist erforderlich, um die Einführung einer Reihe von Schadstoffen in die Wasserversorgung als kritischen Teil der Lösung für die Wassersicherheit angesichts von Verschmutzung und Klimawandel zu überwachen.“
Mehr Informationen:
Hong Wei et al., Dekodierung der Stoffwechselreaktion von Escherichia coli zum Nachweis von Spuren von Schwermetallen in Wasser, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2210061120