Robot Dưới Đáy Hồ Chiến Đấu Với Đợt Nảy Sống Độc Hại

Các vệ tinh thực sự xuất sắc trong việc ánh xạ tảo nảy sống, những tấm thảm màu xanh lan rộ trên các hồ và đại dương trong mùa hè ấm áp, giàu chất dinh dưỡng. Nhưng những hình ảnh xoắn ốc, quyến rũ từ không gian không thể cho biết liệu độc tố có ẩn nấp trong tảo cyanobacteria không, đe dọa sự an toàn của nguồn nước.

Các nhà sinh thái học và nhà thủy lợi học có thể kiểm tra khả năng uống nước bằng cách chèo qua những tảo nảy sống, mặc dù việc thu thập mẫu từ bên cạnh một chiếc thuyền công suất là khó khăn và bất tiện. Vì vậy trong năm nay, các nhà khoa học đang theo dõi Hồ Erie bằng một robot, cách mặt nước 18 feet.

Cái gọi là Environmental Sample Processor, ESPniagara, đặt ở đáy hồ phía tây của Hồ Erie. Nó thu thập tảo từ nước xung quanh, phân tích microcystin (một loại protein độc hại cho gan nhỏ và tròn), và tải kết quả lên cho các nhà nghiên cứu vào cuối mỗi bài kiểm tra. Họ đang theo dõi chất độc hại này một cách cẩn thận, vì mức cao của nó có thể nhanh chóng làm độc hại nguồn nước cung cấp cho con người và động vật hoang dã trong khu vực xung quanh.

Vẻ đẹp không hoa mỹ nổi bật trong thẩm mỹ của ESPniagara. “Nó hơi giống như một thùng rác,” nói Tim Davis, một nhà sinh thái học phân tử tại NOAA ở Ann Arbor. Những sợi ống nhựa trong suốt để xử lý mẫu xoay quanh phần dưới của phòng thí nghiệm trong một hộp, trong khi các mạch và dây cáp xoắn quanh các thành phần ở phía trên. Những bộ phận điện tử và pin máy—400 pin loại D cung cấp năng lượng cho đơn vị—hiển nhiên cần được bảo vệ khi đặt ở đáy hồ. “Thùng rác kim loại chủ yếu là một vỏ chống áp suất có thể chịu được áp suất rất cao và về cơ bản giữ nó khô,” Davis nói.

Việc giữ khô không phải là yêu cầu duy nhất cho cái viện nghiên cứu di động này. ESPniagara cũng cần phải giữ chặt, đứng thẳng, và tránh đắm quá sâu vào bùn ngấy ngủ. Vì vậy NOAA đã tuyển dụng các nhà vật lý ứng dụng tại Đại học Washington để thiết kế khung nặng 1,000 pound bao quanh đơn vị. Theo tính toán của họ, thậm chí nếu có gió mạnh như cơn bão Sandy tấn công Michigan, việc lấy mẫu nước vẫn có thể tiếp tục. Ở mặt hồ, một boya dữ liệu màu cam tròn truyền thông tin từ các bài kiểm tra của nó qua một modem di động, giống như cái ở điện thoại của bạn.

Đến nay, ESPniagara đã kiểm tra nước mỗi hai ngày một lần. Nhưng từ ngày 1 tháng 8, với nguy cơ về đợt nảy sống độc hại gia tăng ổn định, nó đã bắt đầu kiểm tra hàng ngày. Nó hút nước hồ vào, tập trung tảo lên một bộ lọc. Khi bộ lọc bị tắc với đủ tảo để đo lường, sự sinh học bắt đầu.

Trong khi các phòng thí nghiệm tỷ lệ đầy đủ sử dụng bồn tắm nước kiểm soát nhiệt độ, tủ lạnh và máy ly tâm để thực hiện những loại thí nghiệm như vậy, ESPniagara thực hiện cùng các thử nghiệm tương tự với một vài giao thức được xây dựng cẩn thận. Mỗi lần đo độ độc hại xảy ra trong một chiếc đĩa nhỏ có kích thước khoảng một và một nửa inch.

Để đo hàm lượng microcystin của tảo, quan trọng là phải biết rằng cyanobacteria giữ hầu hết độc tố bên trong tế bào của chúng. “Vì vậy, để có được nồng độ chính xác, bạn cần có khả năng phá vỡ tế bào,” Davis nói. Một ít methanol-Tween-20 (tương đương chất tẩy rửa chén) làm nhiệm vụ, cùng với một số nhiệt độ và áp suất. Và sau khi tế bào bị nứt mở để tiết lộ tất cả độc tố, ESPniagara đưa mẫu vào một lưới bốn lần năm năm để định lượng.

Việc phát hiện độc tố phụ thuộc vào kháng thể phát quang khi chúng đã kết hợp với một chất cụ thể. Trong trường hợp này, các kháng thể không kết dính độc tố sẽ phát sáng, vì vậy các điểm sáng hơn có nghĩa là nước an toàn hơn. Một máy ảnh nội bộ chụp ảnh mảng kiểm tra, và sau cùng của quy trình này—mất khoảng bốn giờ—boya dữ liệu gửi ảnh đó đi. Kết quả cuối cùng xuất hiện với các đồng nghiệp ngay cả khi ở xa đến tận Monterey Bay Aquarium Research Institute servers. Sau đó, Davis và đội của ông tải chúng xuống để phân tích.

Khi họ có dữ liệu độc tố, họ kết hợp nó với các đo lường của vệ sinh và mô hình động lực học về tốc độ gió và dòng chảy. Bức tranh tổng thể này cho họ biết độc tố của tảo có độc tố đến đâu, và độc tố sẽ kết thúc ở đâu tiếp theo. Biết rằng gió mạnh sẽ đưa thêm độc tố vào nguồn nước, ví dụ, giúp các nhà máy xử lý quyết định cách họ sẽ hành động. Khi thêm microcystin xuất hiện, họ sẽ biết cách triển khai bước lọc thêm—như trung hòa than hoạt tính của hạt—toàn vẹn nguồn nước uống an toàn. Điều này giống như ESPniagara mang lại cho các nhà máy xử lý nước... giác quan thứ sáu.