Au cours des 10 dernières années, proliférations d'algues nuisibles - augmentations soudaines de la population d'algues, généralement dans les régions côtières et les systèmes d'eau douce - sont devenus un problème plus grave pour la vie marine à travers les États-Unis. Les efflorescences sont composées de phytoplancton, qui produisent naturellement des biotoxines, et ces toxines peuvent affecter non seulement les poissons et la vie végétale dans l'eau, mais aussi des mammifères, les oiseaux et les humains qui vivent à proximité de ces zones.

Selon la National Oceanic and Atmospheric Administration, les événements sont devenus plus fréquents et se produisent dans plus de régions du monde que jamais auparavant.

La capacité de prévoir les efflorescences algales nuisibles et leur localisation, la taille et la gravité pourraient aider les scientifiques à prévenir leurs effets dangereux. Mais il a été difficile de prédire quand et où les fleurs se produiront.

Maintenant, Les chercheurs de l'UCLA ont développé un appareil peu coûteux et portable qui peut analyser des échantillons d'eau immédiatement, ce qui fournirait aux biologistes marins un aperçu en temps réel de la possibilité que des proliférations d'algues puissent se produire dans la zone qu'ils testent. Cette, à son tour, permettrait aux responsables de la gestion des zones côtières de faire mieux, des décisions plus rapides sur, par exemple, la fermeture des plages et des bancs de coquillages avant la prolifération d'algues cause de graves dommages.

Les chercheurs de l'UCLA ont créé un nouveau cytomètre en flux, qui détecte et mesure les caractéristiques physiques et chimiques de minuscules objets dans un échantillon, basé sur l'imagerie holographique et l'intelligence artificielle. Il peut analyser rapidement la composition de diverses espèces de plancton en quelques secondes, beaucoup plus rapide que la méthode standard actuelle, ce qui implique la collecte manuelle d'échantillons d'eau et leur exécution en plusieurs étapes.

La recherche, qui a été publié en ligne par Lumière :science et applications et apparaîtra dans l'édition imprimée de la revue, était dirigé par Aydogan Ozcan, professeur de génie électrique et informatique de l'UCLA et directeur associé du California NanoSystems Institute de l'UCLA.

La menace croissante des efflorescences est causée en partie par une température de l'eau plus élevée en raison du changement climatique, et en partie par des niveaux élevés de nutriments (principalement du phosphore, l'azote et le carbone) des engrais utilisés pour les pelouses et les terres agricoles.

Les composés toxiques produits par les efflorescences peuvent épuiser l'oxygène de l'eau et empêcher la lumière du soleil d'atteindre les poissons et les plantes aquatiques, qui les font mourir ou migrer ailleurs. En outre, les poissons et la faune à proximité peuvent même ingérer les toxines; et dans de rares cas, s'ils sont assez près des fleurs, les humains peuvent les inhaler, ce qui peut affecter le système nerveux, cerveau et foie, et finalement conduire à la mort.

Les scientifiques ont généralement essayé de comprendre les efflorescences algales par échantillonnage manuel et microscopie optique traditionnelle, qu'ils utilisent pour créer des cartes à haute résolution montrant une composition phytoplanctonique dans cette zone sur de longues périodes de temps. Pour construire ces cartes, les techniciens doivent prélever des échantillons d'eau à la main à l'aide de filets à plancton, puis les apporter à un laboratoire pour analyse. Le processus est difficile en partie parce que la concentration et la composition des algues dans un plan d'eau donné peuvent changer rapidement, même pendant le temps qu'il faut pour analyser les échantillons.

L'appareil créé par Ozcan et ses collègues accélère l'ensemble du processus et, car il n'utilise pas de lentilles ou d'autres composants optiques, il effectue les tests à un coût beaucoup plus faible. Il image des échantillons d'algues et est capable de scanner un large éventail d'autres substances, aussi — en utilisant l'holographie et l'intelligence artificielle.

Les cytomètres de flux d'imagerie disponibles dans le commerce utilisés en microbiologie environnementale peuvent coûter de 40 $, 000 à 100 $, 000, ce qui a limité leur utilisation généralisée. Le cytomètre UCLA est compact et léger, et il peut être assemblé à partir de pièces coûtant moins de 2 $, 500.

L'un des défis que les chercheurs ont dû surmonter était de s'assurer que l'appareil aurait suffisamment de lumière pour créer un bon éclairage, images à grande vitesse sans flou de mouvement.

"C'est comme prendre une photo d'une voiture de course de Formule 1, " a déclaré Ozcan. " Le caméraman a besoin d'une très courte exposition pour éviter le flou de mouvement. Dans notre cas, cela signifie utiliser un très lumineux, source de lumière pulsée avec une durée d'impulsion d'environ un millième de la durée d'un clignement d'œil."

Pour tester l'appareil, les scientifiques ont mesuré des échantillons d'océan le long de la côte de Los Angeles et ont obtenu des images de sa composition en phytoplancton. Ils ont également mesuré la concentration d'une algue potentiellement toxique appelée Pseudo-nitzschia le long de six plages publiques de la région. Les mesures des chercheurs de l'UCLA étaient comparables à celles d'une étude récente du programme de surveillance des biotoxines marines du ministère de la Santé publique de Californie.

Zoltán Gӧrӧcs, un chercheur postdoctoral de l'UCLA et le premier auteur de l'étude, a déclaré que les chercheurs sont en train de discuter de leur nouvel appareil avec des biologistes marins pour déterminer où il serait le plus utile.

"Notre appareil peut être adapté pour regarder des organismes plus gros avec un débit plus élevé ou regarder des plus petits avec une meilleure qualité d'image tout en sacrifiant une partie du débit, " il a dit.