آب تمیز، خطرات پنهان: فناوری جدید سمیت عصبی را نشان می دهد که پایش کیفیت آب معمولی از دست رفته است

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

یک عکس از یک ارکستر می تواند به شما بگوید که آیا نوازندگان روی صحنه هستند و سازهای آنها دست نخورده است. اما نمی تواند به شما بگوید که آیا آنها هماهنگ بازی می کنند یا خیر. حتی زمانی که هر نوازنده ای حضور دارد، از دست دادن ظریف هماهنگی می تواند کل اجرا را تغییر دهد.

شبکه های عصبی تقریبا به همین روش کار می کنند. تک تک نورون ها ممکن است ظاهر طبیعی خود را حفظ کنند، اما سیگنال های الکتریکی هماهنگ کننده فعالیت آنها ممکن است مختل شود. بنابراین، نگاه کردن به ساختار عصبی به تنهایی ممکن است تغییرات مهم در عملکرد شبکه را از دست بدهد. این باعث شد به این فکر کنم که آیا گوش دادن به شبکه های عصبی می تواند اختلالات ظریف ناشی از مخلوط پیچیده آلاینده های محیطی را آشکار کند.

آب محیطی حاوی ترکیبات پیچیده ای از داروها، آفت کش ها، مواد شیمیایی صنعتی و محصولات تبدیلی آنهاست. شناسایی آلاینده‌های منفرد مهم است، اما درک نحوه تعامل و تأثیر آنها بر سیستم‌های بیولوژیکی به عنوان یک مخلوط بسیار چالش‌برانگیزتر است.

روش‌های مختلف مبتنی بر اثر برای تکمیل آنالیز شیمیایی توسعه یافته‌اند. با این حال، ارزیابی تغییرات ظریف در عملکرد شبکه عصبی به طور مستقیم در نمونه های پیچیده آب کامل همچنان چالش برانگیز است. از آنجایی که نورون‌ها از طریق سیگنال‌های الکتریکی ارتباط برقرار می‌کنند، به این فکر کردم که آیا ضبط این سیگنال‌ها می‌تواند راه مستقیم‌تری برای ارزیابی پاسخ‌های آن‌ها به مواجهه‌های محیطی ارائه دهد.

بنابراین من و همکارانم یک روش آزمایش سمیت عصبی عملکردی در شرایط آزمایشگاهی یا iFNT را بر اساس آرایه های میکروالکترودی با چگالی بالا ایجاد کردیم. ما نورون‌های قشر اولیه موش‌های صحرایی را روی تراشه‌ها کشت دادیم و به الکترودها اجازه می‌دادیم به طور همزمان فعالیت الکتریکی را در شبکه‌های به هم پیوسته ثبت کنند. با تجزیه و تحلیل 14 پارامتر الکتروفیزیولوژیکی مربوط به شلیک عصبی، انفجار و هماهنگ سازی شبکه، پروفایل های چند بعدی عملکرد شبکه عصبی را ساختیم. مطالعه ما در مجله Environmental Science &; تکنولوژی .

ما ابتدا مواد شیمیایی عصبی فعال و یک مخلوط معرف را آزمایش کردیم و iFNT را با یک روش معمولی رشد نوریت (NOG) مقایسه کردیم که تغییرات ساختاری را اندازه‌گیری می‌کند.

تفاوت قابل توجهی بود. برای ترکیبات جداگانه، iFNT حساسیت 5 تا بیش از 500 برابر بیشتر از NOG نشان داد. برای مخلوط شیمیایی، حساسیت حدود 50 برابر بیشتر بود. برخی از ترکیبات پاسخ های عملکردی قابل تشخیص را در غلظت های کمتر از 10-8 M ایجاد کردند.

این یافته‌ها نشان می‌دهد که پروفایل الکتروفیزیولوژیکی می‌تواند اثرات شیمیایی را نشان دهد که ممکن است به راحتی از طریق تغییرات در مورفولوژی نوریت تشخیص داده نشود. آنها همچنین ارزش بررسی عملکرد شبکه عصبی را در کنار اندازه‌گیری‌های ساختاری نشان می‌دهند.

با این حال، مواد شیمیایی آماده شده در آزمایشگاه تنها بخشی از تصویر محیطی را نشان می دهند. آب دنیای واقعی حاوی مخلوطی از مواد شناخته شده و ناشناس است که اثرات ترکیبی آنها را همیشه نمی توان با اندازه گیری ترکیبات فردی پیش بینی کرد. آیا iFNT می تواند این اثرات را در نمونه های واقعی محیطی ثبت کند؟

ما iFNT را برای نمونه‌های کل آب جمع‌آوری‌شده از تصفیه‌خانه‌های فاضلاب شهری و آب‌های دریافتی آن‌ها اعمال کردیم. نکته مهم این است که نمونه ها بدون استخراج فاز جامد یا پیش تغلیظ آزمایش شدند. این رویکرد به ما اجازه داد تا اثرات بیولوژیکی نمونه‌های آب را مستقیم‌تر ارزیابی کنیم.

نتایج با یافته های ما از مواد شیمیایی مرجع سازگار بود. در مقایسه با NOG، iFNT 3 تا 145 برابر حساسیت بیشتری را برای نمونه های آب کامل نشان داد، با بهبود متوسط ​​تقریبا 25 برابر. بنابراین، پروفایل الکتروفیزیولوژیکی می تواند پاسخ های عملکردی را در مخلوط های محیطی پیچیده بدون پیش تغلیظ تشخیص دهد.

آزمایش نمونه‌های واقعی سؤال دیگری را مطرح کرد: آیا اندازه‌گیری‌های مرسوم کیفیت فاضلاب منعکس کننده همان اثرات بیولوژیکی است که توسط فعالیت شبکه عصبی گرفته شده است؟

ما پروفایل‌های iFNT را در سراسر مراحل تصفیه فاضلاب با شاخص‌های معمول کیفیت آب، از جمله نیاز شیمیایی اکسیژن، نیتروژن آمونیاکی، نیتروژن کل و فسفر کل مقایسه کردیم. هیچ ارتباط آماری معنی داری بین این شاخص ها و پروفایل های الکتروفیزیولوژیکی یافت نشد. ما همچنین هیچ ارتباط معنی داری بین پروفایل iFNT و نقاط پایانی سمیت اندازه گیری شده در جنین گورخرماهی پیدا نکردیم.

این بدان معنا نیست که شاخص های مرسوم یا سایر آزمایش های سمیت بی اثر هستند. در عوض، رویکردهای مختلف جنبه های مختلف کیفیت محیطی را در بر می گیرند. اندازه‌گیری‌های شیمیایی و فیزیکوشیمیایی آلاینده‌ها و عملکرد تصفیه را مشخص می‌کنند، در حالی که سنجش‌های بیولوژیکی پاسخ‌ها را از طریق مدل‌ها و نقاط پایانی مختلف نشان می‌دهند. یافته های ما نشان می دهد که عملکرد شبکه عصبی یک بعد اضافی را ارائه می دهد که ممکن است تنها با اندازه گیری های معمولی منعکس نشود.

من iFNT را جایگزینی برای روش‌های نظارتی موجود نمی‌دانم، بلکه ابزاری مکمل برای ارزیابی اثرات بیولوژیکی می‌دانم که در غیر این صورت ممکن است نادیده گرفته شوند. ترکیب پاسخ های الکتروفیزیولوژیکی با تجزیه و تحلیل شیمیایی و اندازه گیری های معمول کیفیت آب ممکن است درک جامع تری از مخلوط های پیچیده محیطی ارائه دهد.

محدودیت های مهم باقی مانده است. مطالعه ما از نورون‌های قشر اولیه موش‌های صحرایی استفاده کرد و پاسخ‌ها در این مدل را نمی‌توان مستقیما به اثرات عصبی در انسان یا موجودات آبزی ترجمه کرد. اعتبار سنجی بیشتر با استفاده از مدل های عصبی مکمل و طیف وسیع تری از نمونه های محیطی برای ایجاد کاربرد گسترده تر این روش مورد نیاز است.

یک ارکستر می تواند در یک عکس کامل به نظر برسد و همچنان صدایی ناهماهنگ داشته باشد. به طور مشابه، دانستن اینکه کدام آلاینده‌ها وجود دارند یا اینکه آیا شاخص‌های کیفیت آب معمولی بهبود یافته‌اند، ممکن است همه چیز را در مورد چگونگی تأثیر یک مخلوط پیچیده بر عملکرد بیولوژیکی به ما نگوید. با گوش دادن به شبکه های عصبی، امیدواریم راه دیگری برای درک اثرات بیولوژیکی آب محیطی اضافه کنیم.

این داستان بخشی از Science X Dialog است که در آن محققان می توانند یافته های مقالات تحقیقاتی منتشر شده خود را گزارش کنند. برای اطلاعات در مورد Science X Dialog و نحوه شرکت از این صفحه دیدن کنید.

جیایو چن و همکاران، رونمایی از سمیت عصبی آب کامل از طریق پروفایل‌سازی عملکردی الکتروفیزیولوژیکی حساس: فراتر از معیارهای مرفولوژیکی مرسوم، علم و فناوری محیطی (2026). DOI: 10.1021/acs.est.6c10445

اطلاعات مجله: Environmental Science & Technology

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →

هایدونگ هو استاد دانشکده محیط زیست دانشگاه نانجینگ چین است. تحقیقات او بر ارزیابی ریسک کیفیت آب، آزمایش سمیت آب کامل، و توسعه روش‌های حساس و مبتنی بر اثر برای تشخیص اثرات بیولوژیکی مخلوط‌های آلاینده محیطی پیچیده متمرکز است. هدف کار او پیشبرد نظارت بر کیفیت آب مرتبط با بیولوژیکی و مدیریت ریسک زیست محیطی است.