石油泄漏 墨西哥湾的深水地平线漏油事件是历史上最大的一次漏油事件。现在生物学看起来是一种保护和修复受损水系统的工具。资料来源:维基媒体共享空间。
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微生物能清洁世界上污染最严重的水道吗?

水可以说是世界上最重要的资源,保护它对我们的生存至关重要。虽然许多合成生物学的创新都专注于减少水的浪费污染物的流行在水道中,这凸显了将重点转移到保护它们的必要性。

根据环境工作组的报告,水污染可能来自日常生活中的许多来源自来水数据库,常见污染物包括管道和管道固定装置中的铅浸出、硝酸盐等化肥化学品、阿特拉津等除草剂和1,4-二恶烷等溶剂。这些污染物会扰乱人和动物的生殖系统,并增加癌症等疾病的风险。

由于其规模和复杂性,清洗受污染的水系统是一项昂贵和艰苦的壮举。净化整个由相互连接的含水层、净化系统、存储设施和管道网络组成的系统可能需要数年时间。但如果一种材料或物质可以清洁整个系统的水道呢?这就是生物修复在修复已经受到污染的水道方面可以发挥的作用。

源头保护

生物修复是利用微生物分解污染物,有效清理污染场地的过程。这些微生物可以被专门设计来去除污染物,而不会影响水系统的其他方面,如饮用水或当地野生动物。

通常,保护水道最简单的方法是首先防止污染物进入系统。这是伦敦清洁技术公司选择的道路净化. Puraffinity的首席执行官兼联合创始人亨里克·哈格曼(Henrik Hagemann)表示:“这是关于我们如何采取一种全系统的方法来解决这个问题。”。“我们去污染点是为了避免多次处理水。”

哈格曼说,该公司已将目光投向了可能产生最大影响的大量污染物。“你可以用一生的时间去寻找低影响的[污染物],或者你可以打击几大类化学品,你的影响将比那些危险性较低的化学品大得多。”。

哈格曼Henrik

Puraffinity联合创始人兼首席执行官亨里克·哈格曼(Henrik Hagemann)在实验室研究该公司去除水系统中PFAS污染物的技术。图片:Purafinity

考虑到这一目标,Puraffinity专注于per-和多氟烷基物质(PFAS),一群超过4700被发现污染的人造化学品湖泊、河流,甚至饮用水.根据美国国家环境健康科学研究所“PFAS分子由碳和氟原子链组成。因为碳氟键是最强的化学键之一,这些化学物质在环境中不会降解。”因此,这些物质被称为“永恒的化学物质”。NIEHS的研究发现了对儿童认知和神经行为发育、免疫系统、新陈代谢和怀孕的潜在不良健康影响。

从生态系统中清除污染有三个关键方面:检测、响应和处理。Puraffinity正在进行处理,开发一种选择性靶向PFAS化合物的吸附剂材料。研究小组从一种薄膜形式开始,但由于薄膜的高压下降和操作困难,研究小组转而使用一种更颗粒状的介质——一种类似于硅胶包内的小珠子的颗粒状材料。

这些颗粒包含基于纤维素的肽模拟物,类似蛋白质的链被设计用来模拟肽,可以与特定的目标结合,在这个例子中是PFAS分子,并将它们从水中分离出来。“我们做了mRNA文库筛选,以找到分子受体进行捕获,发现了这些肽的模拟物,并使用这些肽模拟物将产品推向市场,”哈格曼说。

密歇根州范内坦湖岸边的PFAS泡沫。

密歇根州范内坦湖岸边的PFAS泡沫。资料来源:环境、大湖区和能源部通过Flickr。

哈格曼建议采用检测优先的策略,以确定水系统中污染物的最大来源,而不是将颗粒直接放入水道中。安装清洁系统的理想位置应尽可能靠近污染源。“想象一下一个大的钢制水箱,在那里你可以把水从顶部流到底部。这就是小球进入的地方,”他说。“当你让水流过小球时,小球会选择性地抓住PFAS污染物,并将它们留在水箱中,直到装满为止。”

哈格曼说,最终目标是将污染物从颗粒物中分离出来,并将其用于其他用途。尽管这些化学品对环境有毒,但它们确实有其他用途。

“我们有人对浓缩化学品的再利用感兴趣,因为它们真的很有用。它们被用于医疗设备和消防泡沫。其中一些应用正在挽救人们的生命。化学公司已经就再利用这种[化学]浓缩物与我们接触。”哈格曼说,最终,哈格曼希望能关闭这个循环,为这些化学物质创造一个有价值的第二生命。

下游保护

如果上游不包含污染物,则清理受污染的水系统可能会变得更具挑战性。污染物可能会流经供水网络的各个层面,导致更难扭转的广泛污染。在这种情况下,生物修复可以提供独特的优势。

千禧年合成生物巨头银杏生物工厂的一家分拆公司,正在利用工程微生物解决下游污染问题寒武纪已经灭绝的海绵.这是该公司的恰当名称,因为海绵是最重要的海洋对微粒和细菌的自然过滤Allonia的首席执行官Nicole Richards说,“Allonia的目标就是利用自然来清理环境垃圾。”

Nicole Richards,Allonnia首席执行官

Allonnia首席执行官妮可·理查兹(Nicole Richards)领导一个团队,开发基于生物的解决方案,以检测和清除关键水资源中发现的一系列毒素。图片:Allonnia

该公司正从生物修复的检测步骤开始,通过构建现场部署的生物传感器来识别污染物的存在并测试其水平。在治疗方面,Allonnia正致力于利用工程微生物对污染物进行生物降解。

Richards说:“我们正在研究如何使生物体只发挥其应有的功能。”这家初创公司正在考虑为特定于污染物的微生物安装一个内置的杀灭开关,或者一个只有在污染物存在的情况下才激活微生物的开关,就像脱卤球菌以氯为食的细菌能降解石油的食烃细菌.

理查兹说:“例如,我们正在确定能够降解PFAS的碳氟键的酶,以及这些酶可以加入的机制。”理查兹表示,该公司正在两方面都考虑非原位将酶添加到生物反应器或原位特定生物体将直接在受污染的水系统中活动的过程。

油砂开采产生的径流是水污染的重要来源

油砂开采的径流是水污染的一个重要来源。图片:朱莉娅·基尔帕特里克,彭比纳研究所,通过Flickr。

除了PFA之外,Allonnia还在研究生物降解环烷酸这个造成原油高酸度的主要化合物,以减少受油砂开采影响的水的毒性。该公司还致力于降解聚氨酯泡沫,将泡沫中的聚合物分解,然后循环使用。

为了提高技术效率,Allonnia正在处理污水处理厂等集中地。“污染物浓度越高,就越容易用生物溶液解决,”Richards说。“在宽阔的水道中传播这种微生物的成本会很高,所以我们正在研究集中的水道,以提高我们的生物效率。”

生物修复障碍

尽管它的前景和潜力,生物修复可能是具有挑战性的。首先,监管机构往往对工程生物,特别是转基因生物持谨慎态度,对其实施严格监管限制为了解决这一问题,Puraffinity正在研究植物基纤维素或其他纤维素基,以获得其肽模拟物。“我们仍在等待立法者允许我们推出转基因纤维素或纤维素中的活生物体,”哈格曼说。

监管部门的批准还有很长的路要走,但理查兹已经在考虑这个问题了。理查兹说:“我们还不知道这种生物会是什么样子。”。“随着我们越来越接近于了解技术是什么,我们就开始与监管机构接洽,并开始将其纳入开发。”

制定生物修复解决方案也需要时间,公司可能需要采用迭代设计-构建-测试-学习的方法,这是两家公司都在采用的方法。Puraffic将很快发布其第二代产品进行测试,并将考虑下一代的任何反馈。与此同时,Allonia希望有一个到2022年,其生物传感器的可销售最低可行产品(MVP)和到2023年的生物降解MVP。

理查兹说:“我们正努力加快产品开发的进度。”“我们希望开始将一些并不完美但我们可以从中学习和了解它们是如何发展的东西推向市场。”

然后是确定哪些污染物的目标和优先顺序的问题。PFAS只是一种主要污染物,Allonia的部分工作旨在创建一个污染物数据库和相应的酶,在需要快速部署和清理的情况下可以降解这些污染物。

此外,还有如何处理生物修复过程中产生的废物的问题。这两家公司都从环境的循环性质中汲取线索,研究捕获的化学物质如何再利用。

生物修复才刚刚开始

干净的水

清洁的水可以说是地球上最宝贵的资源。污染和气候变化威胁着全世界的这些资源。可以提供清洁和防止水污染的解决方案。资料来源:美国国际开发署美国国际开发署通过Flickr跟进。

生物修复是合成生物学为环境保护做出贡献的一个新兴领域。通过将检测、响应和治疗整合到一个系统中,并在世界范围内推广,生物系统可以在其他解决方案失败或根本不可能的地方介入。

保护未来的水资源首先要阻止更多的污染物进入环境。然后,就有可能在水道内建立弹性,清洁水道并保护它们免受未来污染物的影响。哈格曼说:“你可以把这些微生物想象成休眠孢子。如果污染物被释放,细菌会检测到它,做出反应,然后将其清除。”。“这就是我们如何在长期内恢复我们的水道。”

虽然生物修复仍处于起步阶段,但以生物为基础解决化学问题的技术和思维方式正在获得发展。未来几年,微生物在恢复世界上最宝贵的资源方面可能会发挥多么大的作用。

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丽娜·黛安·卡巴拉

里娜·戴安·卡巴拉是一名驻新西兰的菲律宾自由撰稿人。她涵盖了科技及其与科学、社会和环境的交叉点。

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