克里斯·奥克斯当它明明是海洋的时候，叫它地球是多么不合适啊。
——阿瑟·c·克拉克
我们的星球正在迅速变化。将系统思维和设计原则应用于生物学，可以在面对这一挑战时进行整体干预。通过使生物学更容易被设计，合成生物学带来了希望——但必须认真考虑人类干预的历史教训和过去的失误。以下是合成生物学可以提供帮助的一些方法:
污染、富营养化和缺氧
合成生物学和基于生物的解决方案可以减少污染发生之前和之后农业和工业制造的环境代价。Berkeley-based主生物在自然产生的微生物的帮助下，更智能地将氮输送到陆地作物中。该公司希望通过利用生物的力量，农民可以提高作物产量，同时避免肥料流失。总部位于英国的Colorifix公司正在使用合成生物学来改进织物染色过程。世界银行估计，纺织印染和处理占工业水污染总量的大约20%。
当径流进入水中时，可以利用生物来减少危害。美国国家海洋和大气管理局正在探索是否移植的双壳类动物可以帮助减轻氮污染的影响，氮污染是污水和肥料到达海洋的后果。肌肉类和牡蛎等双壳类动物每天过滤大量的水，在这个过程中吸收有机颗粒物。海藻也有类似的功能，在这个过程中可以产生氧气。对于大多数应用来说，这些人工养殖的海洋洗涤器必须被采集来物理去除污染物。合成生物学可以通过改造生物体来更好地浓缩所需毒素和其他分子，从而改善这一过程，并可用于提高收获和加工效率。
伦敦帝国理工学院(Imperial College London)合成生物学中心(Centre for Synthetic Biology)的教授保罗·弗里蒙特(Paul Freemont)认为，经过工程处理的藻华也有助于减少氮径流。藻类可以被重新布线以生产生物燃料等增值化合物，将污染物转化为商业收益。他说:“鲜花将是非常有利可图的，可以收获。这些水将从藻类生物燃料的收入中得到净化。”
气候变化和海洋酸化
类似的方法也可以应用于碳捕获。选择性繁殖和基因工程，结合双壳类生境恢复工作，有可能提高物种对酸化海洋的耐受性。像壳形成这样的特殊特性可以增加生长过程中捕获的二氧化碳，特别是在幼虫阶段(Parker等人，2010年，Waldbusser等人，2013年)。在碳交易系统中，双壳类贝壳的计算需要特定数量的二氧化碳，也考虑了贝壳和组织之间的二氧化碳通量的划分。最后，考虑到双壳贝类养殖对CO2循环的潜在影响(Filgueira et al. 2015)。
海带和海藻等大型藻类在很大程度上被排除在关于海洋碳汇的讨论之外。大型藻类是沿海地带主要的初级生产者，而大型藻类碳在深海和沉积物中的存在(在这些沉积物中它们有效地与大气隔离)表明，大型藻类可能发挥大规模碳隔离的重要来源。一个粗略的估计建议这种大型藻类每年可以在全球范围内吸收约1.73亿公斤的碳。约90%的封存是通过出口到深海，其余则是通过埋藏在海岸沉积物(克劳斯-詹森和杜阿尔特2016年)。
海水变暖威胁着野生海带。因此，工程的耐热性可能对海藻养殖和增强天然珊瑚礁的努力都有好处。
栖息地丧失和过度捕捞
栖息地的丧失和过度捕捞正在形成遗传瓶颈，威胁着我们海洋生态系统的稳定。水产养殖提供了另一种选择，尽管它有相当大的改进空间。
水产养殖供应链可以很容易地改善。小型野生捕获的鱼仍然被用作水产养殖的饲料，这意味着鱼类养殖仍然是钩入海洋的。通过这样的努力F3的挑战在美国，合成生物学家正在利用工程藻类和微生物作为鱼类饲料的替代来源。这支持了一个更可持续的水产养殖系统，并减少了人类和鲸鱼等天然鱼类捕食者之间的竞争。
在更大的范围内，我们承认，我们吃的大多数陆地动物都是经过数千年选择性繁殖的，这使它们更不容易生病，耕作效率更高。然而，只有不到10%的养殖鱼来自选择性养殖的鱼群。在水产养殖中推进选择性育种将提高抗病性、饲料效率和生长速度，从环境和经济角度提高水产养殖水平。选择性育种还支持栖息地再生和重新放养干预(加州海洋拨款2017- CASG-17-010)。
最先进的选择育种需要对许多基因组进行测序——这仍然是一项昂贵的干预。鉴于基因编辑技术的进步，研究人员现在可以迅速确定与抗病能力和其他遗传性状有关的基因组区域(Wargelius等人，2016年)。在人工选择的基础上进行小规模的基因组工程可能会提供一种更好的方法来改善水产养殖种群。基因编辑将使育种者能够在转基因鱼身上安装基因控制机制，减少逃亡者可能造成的潜在损害，或减少受温度依赖性致病性影响的野生种群的疾病抵抗力(Kimes等人，2012年)。
扭转气候变化和破坏性捕鱼造成的栖息地丧失，将需要物质和生活基础设施。受到威胁的海洋栖息地，如珊瑚和牡蛎礁，将受益于同样的选择性繁殖和基因工程技术。生物技术专家已经在努力强化珊瑚物种以适应更温暖的海水。考虑到珊瑚礁的规模、分布和先进的共生关系，结合DNA读写技术的云实验室技术可能在基于生物的保护工作中发挥重要作用。
包括合成生物学在内的整体干预将从小型、简单和优雅的干预开始。由于当地生态系统的复杂性，专业化是必需的，但由于海洋是全球性的，我们必须先发制人地考虑和设计以防止负面的意外后果。考虑到这一点，合成生物学是服务于我们集体需求的有力工具之一。
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