אקולוגיה וסביבה

פיתוח חיישנים מיקרוביאליים לגילוי מרחוק של מוקשים מוטמנים בקרקע

13 ביוני, 2019

חיילים אמריקאים מאמנים חיילים מונגולים בפינוי מוקשים. מונגוליה, 2016 | צילום: Hilda Perez, באדיבות חיל הנחתים של צבא ארה"ב


שמשון בלקין
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, המכון למדעי החיים, האוניברסיטה העברית בירושלים
שרון יגור–קרול
המחלקה למדעי הצמח והסביבה, המכון למדעי החיים, האוניברסיטה העברית בירושלים
יוסי קבסה,
המחלקה לפיסיקה יישומית, ביה"ס להנדסה ולמדעי המחשב, האוניברסיטה העברית בירושלים
ויקטור קורומה
המחלקה לפיסיקה יישומית, ביה"ס להנדסה ולמדעי המחשב, האוניברסיטה העברית בירושלים
טלי ספטון
המחלקה לפיסיקה יישומית, ביה"ס להנדסה ולמדעי המחשב, האוניברסיטה העברית בירושלים
יונתן ענתי
המחלקה לפיסיקה יישומית, ביה"ס להנדסה ולמדעי המחשב, האוניברסיטה העברית בירושלים
חינת זהר–פרץ
המכון לביוכימיה, מזון ותזונה, הפקולטה לחקלאות, מזון וסביבה, האוניברסיטה העברית בירושלים
צחי רבינוביץ'
המכון לביוכימיה, מזון ותזונה, הפקולטה לחקלאות, מזון וסביבה, האוניברסיטה העברית בירושלים
עמוס נוסינוביץ
המכון לביוכימיה, מזון ותזונה, הפקולטה לחקלאות, מזון וסביבה, האוניברסיטה העברית בירושלים
אהרון אגרנט
המחלקה לפיסיקה יישומית, ביה"ס להנדסה ולמדעי המחשב, האוניברסיטה העברית בירושלים

ברחבי העולם פזורים מאות מיליוני מוקשים, שרידי מלחמות עבר, שגורמים מדי שנה למותם או לפציעתם של אלפי אנשים. עיקר הקושי בפינוי שדות מוקשים אלה איננו כרוך בסילוקם של המוקשים, אלא באיתורם: היעדר תיעוד מסודר, ותזוזות המתרחשות עם הזמן, הופכים משימה זו לקשה ומסובכת. אולי מפתיע, אבל גם כיום השיטות המקובלות לגילוי מוקשים מוטמנים מחייבות נוכחות פיזית בשטח הנבדק; מעבר לסיכונים הברורים לעוסקים בכך, יעילותן של שיטות אלה נמוכה מאוד. יש לפיכך צורך אמיתי בטכנולוגיה אמינה לגילוי מרחוק של מוקשים; נכון להיום, טכנולוגיה כזו איננה בנמצא.

הפתרון שאנו מציעים לבעיה זו טמון בעובדה שבמהלך הזמן מצטברות מולקולות נדיפות של חומרי נפץ בקרקע מעל המוקש, והן ניתנות לזיהוי ביולוגי. לשם כך פיתחנו זנים של החיידק Escherichia coli שבנוכחות של כמויות זעירות של מולקולות כאלה (בעיקר מחומר הנפץ טי-אן-טי ונגזרותיו) הופכים לפעילים אופטית באחת משתי דרכים – יצירת אור בגופם (נהורנות ביולוגית, ביולומינסנציה) או סינתזה של חלבון פלואורני ירוק (fluorescent), מולקולה הפולטת אור ירוק בתגובה להקרנה. פעילות אופטית זו ניתנת לצילום ולכימות מרחוק, וכך אפשר ליצור "מפה" של מיקום המוקשים בשטח הנבדק.

ערכנו ניסוי שדה, ובו חיידקים פלואורניים כאלה קובעו בכדוריות פולימריות קטנות (כ-100,000 חיידקים בכל כדורית שקוטרה כ-3 מ"מ) (איור 1א) ופוזרו על פני שטח שהוטמנו בו מראש מוקשים נגד אדם וכמויות שונות של חומרי נפץ. באמצעות מערכת אלקטרואופטית ייעודית (איור 1ב) מופתה הפלואורנות (fluorescence) של האזור הנבדק בתחילת הניסוי ובסיומו מעמדה קרקעית במרחק של כ-30 מטר (איור 1ג), ואותרו מקומותיהם המדויקים של המוקשים וחומרי הנפץ ברמת דיוק של סנטימטרים בודדים (איור 1ד). ככל הידוע לנו, זהו התיאור הראשון בספרות המדעית לגילוי מרחוק של מוקשים מוטמנים.

איור 1

שימוש בחיישנים מיקרוביאליים לגילוי מרחוק של מוקשים מוטמנים בקרקע

א. כדוריות פולימריות שקופות בקוטר 3— 4 מ"מ,
שהחיישנים המיקרוביאליים "כלואים" בהן כ– 100,000
תאים בכל כדורית).
ב. מערכת הסריקה. שני מרכיביה העיקריים הם מכשיר
לייזר לעירור מרחוק של הפלואורנות החיידקית וטלסקופ
אסטרונומי לקליטה ולכימות של האותות שפולטים
החיישנים.
ג. מפת אזור הניסוי, כפי שמתקבלת מהאותות הפלואורניים
המוקרנים מהחיידקים, כ– 22 שעות לאחר פיזור החיידקים.
ככל שהצבע אדום יותר, האות חזק יותר.
ד. מיקום המוקשים וחומרי הנפץ המוטמנים, כפי שנקבע
לאחר תרגום ועיבוד של האותות הפלואורניים.

בימים אלה אנו שוקדים על פיתוח מולקולרי של הדורות הבאים של החיישנים, במטרה להפוך את תגובותיהם למהירות יותר, חזקות יותר, ובעיקר רגישות יותר, ולאפשר את מיפוי פעילותם גם מהאוויר.

מאמר [1] שתיאר חלק מתוצאות המחקר, זיכה את החוקרים בפרס למצוינות בתחום מדעי הסביבה לשנת 2019 מטעם קרן Strage ואוניברסיטת בן-גוריון בנגב. החוקרים הראשיים בשלוש קבוצות המחקר מהאוניברסיטה העברית שהיו שותפות לעבודה שתוצאותיה תוארו במאמר זה הם פרופ' אהרון אגרנט (שאחראי לפיתוח המערכת האלקטרואופטית), פרופ' עמוס נוסינוביץ (האמון על קיבוע החיידקים בכדוריות פולימריות) ופרופ' שמשון בלקין (מפתח החיישנים המיקרוביאליים).


  1. Belkin S, Yagur-Kroll S, Kabessa Y, et al. 2017. Remote detection of buried landmines using a bacterial sensor. Nature Biotechnology 35: 308-310.

ציטוט

בלקין ש, יגור–קרול ש, קבסה, י ואחרים. 2019. פיתוח חיישנים מיקרוביאליים לגילוי מרחוק של מוקשים מוטמנים בקרקע. אקולוגיה וסביבה 10(2).
העתק


כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

מחקרי סביבה אצלך בתיבה

    שמשון בלקין
    המחלקה למדעי הצמח והסביבה, המכון למדעי החיים, האוניברסיטה העברית בירושלים
    שרון יגור–קרול
    המחלקה למדעי הצמח והסביבה, המכון למדעי החיים, האוניברסיטה העברית בירושלים
    יוסי קבסה,
    המחלקה לפיסיקה יישומית, ביה"ס להנדסה ולמדעי המחשב, האוניברסיטה העברית בירושלים
    ויקטור קורומה
    המחלקה לפיסיקה יישומית, ביה"ס להנדסה ולמדעי המחשב, האוניברסיטה העברית בירושלים
    טלי ספטון
    המחלקה לפיסיקה יישומית, ביה"ס להנדסה ולמדעי המחשב, האוניברסיטה העברית בירושלים
    יונתן ענתי
    המחלקה לפיסיקה יישומית, ביה"ס להנדסה ולמדעי המחשב, האוניברסיטה העברית בירושלים
    חינת זהר–פרץ
    המכון לביוכימיה, מזון ותזונה, הפקולטה לחקלאות, מזון וסביבה, האוניברסיטה העברית בירושלים
    צחי רבינוביץ'
    המכון לביוכימיה, מזון ותזונה, הפקולטה לחקלאות, מזון וסביבה, האוניברסיטה העברית בירושלים
    עמוס נוסינוביץ
    המכון לביוכימיה, מזון ותזונה, הפקולטה לחקלאות, מזון וסביבה, האוניברסיטה העברית בירושלים
    אהרון אגרנט
    המחלקה לפיסיקה יישומית, ביה"ס להנדסה ולמדעי המחשב, האוניברסיטה העברית בירושלים


    ציטוט

    בלקין ש, יגור–קרול ש, קבסה, י ואחרים. 2019. פיתוח חיישנים מיקרוביאליים לגילוי מרחוק של מוקשים מוטמנים בקרקע. אקולוגיה וסביבה 10(2).
    העתק

    תכנים נוספים שעשויים לעניין אותך

    בקצרה
    בשורה לניהול היערות והשטחים הפתוחים בישראל: תוכנית יערני העתיד יצאה לדרך
    היער מחדש פניו – על הכשרת הדור הבא של יערניות ויערנים לניהול החורש והיער בישראל
    חזית המחקר
    קידום כלכלי ותכנוני של רעיית עיזים לשם צמצום סכנת שרפות
    המחקר בדק אם ניתן לבסס רעייה בשטחים פתוחים על דירי עיזים הממוקמים צמוד ליישובים, ומה גובה התמריץ הכלכלי שיש לשלם כדי לדרבן את מגדלי העיזים לרעות בשטחים הללו
    בקצרה
    לקראת מרחב ציבורי נקי – הפוטנציאל הגלום במדיניות המותאמת למקומיות
    רשויות מקומיות ייטיבו לעשות אם יפתחו "מדיניות פסולת מותאמת מקום"
    לראש העמוד