Rina戴安Caballar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流行的污染物在水道中，这凸显了将重点转移到保护它们的必要性。
水污染可能来自日常生活的许多来源。根据环境工作小组的自来水数据库，常见的污染物包括管道和管道装置中的铅浸出，化肥如硝酸盐，除草剂如阿特拉津，溶剂如1,4-二恶烷。这些污染物会扰乱人和动物的生殖系统，增加患癌症等疾病的风险。
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。
源头保育
生物修复是利用微生物分解污染物，有效清理被污染场地的过程。这些微生物可以被专门设计来去除污染物，而不影响水系统的其他方面，如可饮用性或当地的野生动物。
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Puraffinity．Puraffinity的首席执行官兼联合创始人亨里克•哈格曼表示:“这是在试图思考我们如何采取一种全系统的方法来处理源头问题。”“我们选择污染点是为了避免多次处理水。”
该公司已将目光投向可能产生最大影响的大型污染物。哈格曼说:“你可能一辈子都在寻找低影响(污染物)，或者你可能会接触到一些大的化学物质，相比于那些危险较小的化学物质，你会有更大的影响。”
Puraffinity公司的联合创始人兼首席执行官Henrik Hagemann正在实验室研究去除水系统中PFAS污染物的技术。图片:Purafinity
考虑到这一目标，Puraffinity专注于每氟烷基和多氟烷基物质(pfa)，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的研究已经发现对儿童的认知和神经行为发育、免疫系统、新陈代谢和怀孕有潜在的不利健康影响。
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。
密歇根州范埃坦湖岸边的PFAS泡沫。来源:环境，五大湖和能源部门通过Flickr。
哈格曼建议，不要将颗粒直接放入水道中，而是采用检测优先的策略，以确定水系统中污染物的最大来源，比如工业流出物。安装清理系统的理想地点是尽可能靠近源头。“想象一个大的钢制水箱，你可以在里面让水从顶部流到底部。这就是小球进入的地方，”他说。“当你让水流过它们时，它们会选择性地抓住PFAS污染物，并将它们留在水箱中，直到装满为止。”
哈格曼表示，最终目标是将污染物从颗粒中分离出来，并将其用于其他用途。虽然这些化学物质对环境有害，但它们确实有其他用途。
“我们有人对重复使用浓缩化学品感兴趣，因为它们真的很有用。它们被用于医疗设备和消防泡沫中。其中一些应用程序正在拯救人们的生命。化学公司已经找到我们，想要重复使用(化学)浓缩物。”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有价值的第二次生命。
保护下游流动
如果上游不含污染物，那么清理受污染的水系统将变得非常具有挑战性。污染物可能会流经供水网络的各个层面，造成更大范围的污染，很难逆转。在这种情况下，生物修复具有独特的优势。
Allonnia该公司是合成生物学巨头银杏生物工程(Ginkgo Bioworks)的子公司，正在用工程微生物处理下游污染。“Allonnia是一个寒武纪已经灭绝的海绵．这个名字很适合这家公司，因为海绵是海洋对粒子和细菌的天然过滤Allonia的首席执行官尼科尔·理查兹说。“这正是Allonnia的目标——利用自然来清理环境垃圾。”
尼科尔·理查兹，Allonnia的首席执行官，领导一个团队开发基于生物的解决方案，以检测和清除在关键水资源中发现的一系列毒素。图片:Allonnia
该公司从生物修复的检测步骤开始，通过建造可部署在现场的生物传感器来识别污染物的存在并测试其水平。在处理方面，Allonnia正在研究利用微生物来生物降解污染物。
理查兹说:“我们正在研究如何设计生物体，使其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设计一个内置的杀死开关，或者是一个只有在污染物存在时微生物才被激活的开关，就像Dehalococcoides以氯为食的细菌或能够降解石油的烃类细菌．
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应用——在生物反应器中加入酶——或者原位一种量身定制的有机体将直接在受污染的水系统中活动的过程。
油砂开采的径流是水污染的一个重要来源。图片:茱莉亚·基尔帕特里克，来自彭比纳研究所的Flickr。
除了PFAS, Allonnia还在研究降解环烷酸,造成原油高酸度的主要化合物，以减少油砂开采对水的毒性影响。该公司还致力于将聚氨酯降解成泡沫，泡沫中的聚合物被分解，然后升级回收。
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在这些生物。为了解决这个问题，puraffinity正在研究植物纤维素或其他纤维素基的肽模拟物。哈格曼说:“我们仍然在等待立法者允许我们推出转基因纤维素或纤维素中的生物。”
监管部门的批准还有很长的路要走，但这是理查兹已经在考虑的事情。理查兹说:“我们还不知道这种生物会是什么样子。”“当我们越来越了解这项技术是什么时，我们就会与监管机构进行接触，并开始将其纳入开发中。”
制定生物修复方案也需要时间，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。Puraffinity将很快发布其第二代产品进行测试，并将考虑对下一代的任何反馈。与此同时，Allonnia希望在2022年之前为其生物传感器推出可销售的最小可行产品(MVP)，并在2023年之前推出生物降解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。”
接下来的问题是，应该以哪些污染物为目标和优先考虑哪些污染物。PFAS只是主要污染物的一种，Allonia的部分工作旨在创建污染物和相应酶的数据库，以便在需要快速部署和清理的情况下降解它们。
此外，生物修复过程中产生的废弃物如何处理也是一个问题。两家公司都从环境的周期性中得到启示，研究捕获的化学物质如何可以重复使用。
生物修复才刚刚开始
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。生物修复技术可以为防止和清理水污染提供解决方案。来源:美国国际开发署通过Flickr跟踪。
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。
保护水资源的未来从阻止更多污染物进入环境开始。然后，就有可能在水道内建立弹性，清洁它们并保护它们免受未来污染物的影响。“你可以把这些微生物想象成休眠的孢子。如果一种污染物被释放出来，细菌就会检测到它，做出反应，然后消除它，”哈格曼说。“这是我们长期修复水路的方法。”
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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