Дафнии как «канарейки в угольной шахте» — ключ к управлению химическим загрязнением

Дафнии (Daphnia) могут служить важной системой раннего предупреждения о химическом загрязнении в озёрах и реках. Кроме того, они могут работать как агенты биоремедиации для снижения опасности там, где предотвратить загрязнение не удалось.

Исследователи из Бирмингемского университета разработали новый подход, использующий высокопроизводительные «омиксные» технологии для обнаружения эффектов смесей химикатов окружающей среды — типичных по составу и концентрации — на биологию живых организмов. Подход использует Daphnia для понимания того, какие химические вещества могут быть токсичны для других видов и как. Это возможно, потому что все животные, включая человека, имеют общие гены, лежащие в основе их реакций на изменения окружающей среды, включая воздействие загрязнения.

Результаты, опубликованные в Environmental Science and Technology, предлагают столь необходимое продвижение в оценке и смягчении существующих и новых рисков от химического загрязнения. Работа может значительно улучшить регулирование химических веществ.

Многие современные болезни, такие как рак и аутоиммунные заболевания, могут быть связаны с химическим загрязнением, однако безопасность химикатов в настоящее время оценивается устаревшими методами: тестируется одно вещество за раз, а опасности для человека и окружающей среды рассматриваются отдельно. Новый подход срочно необходим, поскольку в окружающей среде присутствует не менее 235 000 отдельных химических веществ и 125 000 нерегулируемых химических смесей.

Хотя Daphnia давно признаны «сторожевым видом» для выявления токсичных химикатов и установления пределов воздействия, новый подход значительно расширяет и уточняет их роль. Он позволяет дафниям обнаруживать биоактивные компоненты в смесях химикатов окружающей среды и предсказывать, какие вещества могут быть вредными.

Используя знание о том, что все животные произошли от общего предка, команда количественно оценивает токсичность у Daphnia и прогнозирует её влияние на другие виды. В этом подходе дафнии работают как «канарейка в угольной шахте», обеспечивая систему раннего предупреждения о токсичности.

Одновременно команда также показывает, что штаммы Daphnia, естественно адаптированные к химическому загрязнению, можно использовать как «агенты удаления» для извлечения химикатов из воды посредством биоаккумуляции, улучшая защиту здоровья окружающей среды устойчивым способом.

Работа важна, потому что химические вещества, производимые в бытовых и промышленных процессах, а также в сельском хозяйстве, не устраняются при очистке сточных вод и попадают в водоёмы. Оттуда они накапливаются по пищевой цепи, в конечном итоге попадая на наши столы с пищей и питьевой водой.

Новый подход был разработан Бирмингемским университетом совместно с коллегами из Friends of the Muskoka Watershed (Канада), Китайского университета Цзилян и Института Алана Тьюринга.

Профессор Луиза Орсини, старший автор статьи: «Нам нужна лучшая диагностика воздействия химических веществ на дикую природу и человека, но также, когда химикаты уже попали в окружающую среду, нам нужна устойчивая ремедиация их воздействия. Daphnia — это крошечное ракообразное размером с рисовое зерно, которое часто упускают из виду. Однако они сверхобильны и могут революционизировать способ, которым мы устойчиво оцениваем и смягчаем химическое загрязнение. Это положительно скажется на здоровье человека, помогая предотвратить болезни, связанные с химическим загрязнением».

Доктор Ли, корреспондирующий автор статьи: «Пример, который мы описываем в статье, показывает, как с помощью машинного обучения мы можем идентифицировать биоактивные загрязнители в смесях химикатов окружающей среды, обнаруженных в речных водах, определяя цели для регулирующих органов».

Команда ожидает, что разработанный ими подход может предложить кардинальное изменение в регулировании химических веществ, где, как правило, вещества оцениваются изолированно и обычно в высоких концентрациях, игнорируя кумулятивные эффекты более низких доз и химических смесей.

Ещё одно важное преимущество нового подхода — возможность сократить тестирование химикатов на животных. Подход также показывает, что природо-ориентированные решения являются многообещающей альтернативой текущим химическим/механическим процессам для обеспечения повторного использования воды. Бирмингемский университет возглавляет международное партнёрство по улучшению оценки химической безопасности с использованием нетрадиционных, более этичных модельных видов и вычислительных подходов.