Новые датчики могут помочь разработать безопасную для пчел защиту растений
Растущий мировой спрос на растительные продукты питания делает использование пестицидов необходимым для защиты сельскохозяйственных культур от вредителей и обеспечения урожайности. Однако есть один существенный недостаток: широкое использование пестицидов привело к значительному сокращению популяций насекомых в прошлом. Сокращение популяции диких пчел, которые вносят значительный вклад в опыление и, следовательно, необходимы для сельскохозяйственной урожайности, вызывает особую тревогу.
Чтобы решить эту дилемму, ученые Института электронных микросистем и твердотельных технологий Фраунгофера (сокращенно EMFT) работают над разработкой новых типов датчиков в рамках исследовательского проекта Ökotox. Эти датчики предназначены для выявления «враждебных пчелам» веществ на ранних этапах разработки новых средств защиты растений.
«Наша цель — чтобы эти датчики показывали вредное воздействие на насекомых в течение нескольких часов и в то же время позволяли параллельно тестировать множество веществ, экономя время и деньги», — говорит профессор Йоахим Вегенер. Вегенер — руководитель кафедры Фраунгофера «Клеточные сенсорные технологии», которая находится в кампусе Университета Регенсбурга (UR) и тесно связана с Институтом аналитической химии, хемо- и биосенсоров в UR.
Основная концепция нового подхода основана на использовании клеток насекомых в качестве сенсоров. Эти клетки обладают метаболизмом, типичным для соответствующих насекомых, и могут фиксировать любое вредное воздействие при воздействии биоактивных веществ.
«Клетки переносятся в лабораторные чашки, оснащенные микроэлектродами на дне», — объясняет Вегенер. В этих так называемых многоэлектродных матрицах сопротивление клеток переменному току (импеданс) определяется в режиме реального времени и сообщает о вредном воздействии на клетки.
Метод может дополнять обычные биоаналитические тесты, которые используются для определения токсической концентрации изолированного активного ингредиента. Однако пестициды обычно содержат многочисленные добавки, которые часто ответственны за непреднамеренные токсические эффекты. С помощью датчиков клеток насекомых эффект всей смеси проверяется в одном эксперименте. Это позволяет быстро идентифицировать биологические эффекты новых формул.
Клетки выращиваются в лаборатории. Они замораживаются непосредственно в лунках многоэлектродных матриц и хранятся при низких температурах. Теперь клетки можно размораживать по мере необходимости, и они готовы к тестированию в течение нескольких минут, даже прямо в полевых условиях, независимо от лаборатории по культивированию клеток. Это позволяет эффективно и экономически эффективно готовить большие партии сенсорных клеток задолго до проведения тестирования.
На сегодняшний день пять различных пестицидов были протестированы на их острую клеточную токсичность с использованием этой сенсорной технологии.
«Результаты показывают, что некоторые пестициды, продаваемые для бытового использования, токсичны в концентрациях, которые намного ниже рекомендуемой концентрации применения», — говорит Стефани Михаэлис, которая отвечает за проект.
Для автоматизации применения электродных матриц с датчиками исследовательская группа Fraunhofer EMFT разработала демонстрационное устройство, которое размораживает клетки и добавляет образцы.
«Устройство обеспечивает точную дозировку и исключает любое перекрестное загрязнение», — объясняет Кристиан Хохрайтер, который спроектировал и разработал прототип.
Степень, в которой результаты с клетками насекомых отражают влияние на живых насекомых, станет предметом дальнейших исследований.
Помимо обнаружения острого инсектицидного эффекта, тот же принцип сенсора будет использоваться для изучения различных функций клеток (фенотипов) и позволит в будущем проводить одновременное исследование клеток разных видов насекомых.
Результаты опубликованы в журнале Applied Research.
Источник: Университет Регенсбурга
