Натрупването на замърсители на околната среда е резултат от антропоценови дейности, които изхвърлят разтворители и други вредни и хидрофобни молекули в заобикаляща среда. Биоремедиацията използва микроорганизми, естествено срещащи се или генетично модифицирани, за разграждане на замърсителите на околната среда. Генетично модифицираните микроорганизми или GEM на теория могат да усвоят определени замърсители. Това обаче не винаги се осъществява. Въпреки че GEM са икономически привлекателни, способността им да причиняват повече вреда, отколкото полза, пречи на ефективността на GEM. Тази публикация в блога ще се фокусира върху GEM, използвани за катаболизиране на синтетични съединения, и тези, които не се срещат естествено в природата.
Какво е биоремедиация?
Биоремедиацията включва манипулиране на бактерии или археи при разграждането на замърсителите на околната среда. Като цяло тези замърсители включват тези, които са токсични за хора и други организми при високи концентрации. Изследователите могат или да манипулират околната среда, или генетичната информация на микроорганизмите за успешна биоремедиация.
Как се манипулира околната среда за биоремедиация?
Въвеждането на добавки в околната среда е форма на манипулиране на околната среда. Тези добавки насърчават растежа на бактериите. Например, торенето насърчава биоремедиацията чрез обогатяване на замърсените почви с азот и фосфор (Crawford, RL, & Crawford, DL, 2005). Азотът и фосфорът са елементи, открити в аминокиселините. Съответно, микроорганизмите използват тези елементи, за да синтезират аминокиселини, които се сгъват и създават ензими, необходими за здравословен растеж и размножаване. С прости думи, торенето създава минимална среда за растежа на бактериите и метаболитните дейности, включително катаболизма на замърсителите на околната среда.
Самите бактерии могат да бъдат добавка към околната среда. Всъщност процесът на засяване въвежда бактерии в замърсената почва (Freeman et al., 2017). Следователно бактериите, добавени към околната среда, са щамовете, способни да катаболизират замърсителите на околната среда.
Трети метод за манипулиране на околната среда за биоремедиация е „земеделието“. В „земеделското земеделие“ площ от почва се изкопава, след което се засява или обогатява (Crawford, RL, & Crawford, DL, 2005). Разкопките гарантират, че GEM няма директно излагане на околната среда. Излагането на GEM на околната среда има пагубни ефекти. В крайна сметка те представляват риск от неуправляемо разпространение или трансформация на генетичен материал в естествено срещащи се щамове бактерии.
Как се манипулира генетичния материал за биоремедиация на GEM?
За да създадат щамове бактерии, учените трябва да се насочат към ген, представляващ интерес. Учените идентифицират целевия ген и инженерират този ген, за да експресират желания ензим, необходим за катализа (Bilal, M., & Iqbal, HMN, 2020). Освен това учените трябва да осигурят експресията само на целевия ген за изследователски цели. При по -прости организми с плазмидна ДНК е по -лесно да се манипулира ДНК. Учените могат да използват инхибитори, тъй като свързаните гени лежат върху един и същ оперон. Съществуват допълнителни методи за манипулиране на бактериална ДНК освен насочване към специфични гени.
Друг метод за манипулиране на ДНК е бактериалната трансформация. Трансформацията е процес, който предава желаните микробни гени в щам от бактерии, който може да се използва (Bilal, M., & Iqbal, HMN, 2020). От 30,000 XNUMX известни щама бактерии, изследователите използват само няколко избрани, за да създадат генетично модифициран микроорганизъм. По -специално щамовете са Achromobacterm, Dehalococcoides, Pseudomonas, Burkholderia, Rhodococcusm, Comamonasm Alcaligenes, Spingononasm, намлява Ралстония щамове (Bilal, M., & Iqbal, HMN, 2020).
Какви молекули се катаболизират по време на биоремедиацията?
По време на биоремедиацията, опасни съединения до иначе безобидни молекули. Някои от молекулите включват петрол, диоксини (полихалогениран ароматен въглеводород), полихлорирани бифенили (PCBs), тежки метали, 1,2,3-трихлоропропан (TCP), полициклични ароматни въглеводороди (PAHs) и 1,2 дихлоретан (DCA) (Freeman et al., 2017). От изброените класове молекули, повечето от тях включват хлор, макар и.
Хлорираните съединения, като ПХБ, се намаляват след подлагане на дехлориране. Бактериите използват хлор, получен от ПХБ по време на дишането, като електронен акцептор (Freeman et al., 2017). Хлорът е чудесен акцептор на електрони поради високата си стойност на електроотрицателност. Бактериите не са в състояние да катаболизират винаги вредни съединения, особено синтетични химикали. Невъзможността за смилане на най -вредните съединения е причината за създаването на повече GEM. GEM могат също така биоразграждат химикали, включително карбамазепин сукралоза, алкани, PCBs, DCAs и TCPs (Janssen, DB, & Stucki, G., 2020).
Рискът от хлор
Хлорът е вреден за хората и животните. Контактът с високи нива на хлор може да причини тежки респираторни проблеми, като напр белодробен оток. В допълнение, влизането в контакт с хлор може да доведе до отравяне с хлор, което варира по тежест. Хлорът може също да убива микроорганизми, които имат благоприятна роля в околната среда.
Теренни приложения на биоремедиацията
Изследователите подчертават, че е имало случаи, при които биоремедиацията на GEM се е оказала успешна, но само при манипулирани експериментални условия. Следват полеви приложения на биоремедиацията, които са имали известен успех.
Разграждане на полициклични ароматни въглеводороди (ПАВ) с помощта на GEM
Има полициклични ароматни въглеводороди (ПАВ), открити във въглища, суров нефт и бензин. Университетът на Тенеси, в сътрудничество с Националната лаборатория на Оук Ридж, проведе полево освобождаване на Pseudomonas fluorescens HK44 (манипулиран щам) за разграждане на нафталин, PAH, открит в околната среда.
Инженеринг на Pseudomonas fluorescens HK44
Изследователите са проектирали Pseudomonas fluorescens HK44 с родителска верига генетичен материал, получен от произведени газови инсталации замърсени с ПАВ (Sayler, GS, & Ripp, S., 2000). Учените вмъкват в щама катаболен нафталин, с цел разграждане на ПАУ. Позволява се вмъкване на a лукс сливане на ген с промотора за катаболния ген на нафталин (Sayler, GS, & Ripp, S., 2000). В резултат на това, когато P. fluorescens HK44 беше изложен на нафталин, беше получен биолуминесцентен отговор (Sayler, GS, & Ripp, S., 2000).
Полево освобождаване на P. fluorescens
За провеждане на полевото освобождаване на P. fluorescens HK44, учените са използвали лизиметър с епоксидно покритие. Лизиметърът беше кутия с диаметър 2.5 метра, която беше дълбока 4 метра и 3 метра под земята (Ripp et al., 2000). Наблюдението на колонията се извършва между октомври 1996 г. и декември 1999 г. В рамките на първите 12 дни населението на колонията бързо намалява. Но след този период спадът на населението става по -постепенен (Ripp et al., 2000). Ripp et al. очаква спад на населението, като се има предвид, че биотичните и абиотичните фактори могат да повлияят на системата. Изрично, биотични фактори включват конкуренция и хищничество, а абиотичните фактори включват температура, рН, ниво на влага и нива на кислород. Освен това екипът установи, че щамът оцелява дълги 660 дни след инокулацията и не изисква допълнително внасяне на енергия.
Разграждане на 1,2,3-трихлоропропан (TCP) с помощта на GEM
Биоремедиацията на подземните води също може да използва GEM. В преглед относно разграждането на TCP, Janssen и Stucki установяват, че само генетично модифицирани бактериални щамове могат да усвоят TCP и подобни съединения, включително дихлоретан (DCA). И TCP, и DCA са хидрофилни молекули. Следователно, когато те взаимодействат с вода, е трудно да се разрушат междумолекулните сили между тях.
Инженеринг на Хлорофлекси
Бактериите, проектирани за разграждане на TCP, са напълно синтетични. Учените дадоха името на бактерията Хлорофлекси. Те манипулират щама, за да използват TCP като субстрат за растеж. Хлорофлекси може да дехлорира TCP, образувайки междинен дихлоропропанолов изомер (Janssen, DB, & Stucki, G., 2020). Оттам учените превръщат дихлоропропанола в епихлорохидрин, по -безопасно за околната среда съединение при алкално рН.
Тестване на Хлорофлекси
Хлорофлекси нямаше издание на място. Вместо това учените тестваха бактериалния щам върху проби от вода в лабораторията. За жалост, Хлорофлекси произвежда токсични метаболити чрез биоокисление, въпреки известен успех (Janssen, DB, & Stuck, G., 2000). Те наистина намериха безопасен начин да влошат TCP, но този метод включваше допълнителни стъпки. Учените ще трябва да извлекат един от ензимите, получени при разграждането на DCA, но това изисква генериране на междинен продукт за разграждане на друго съединение (Janssen, DB, & Stuck, G., 2000).
Хлорофлекси дефицитът в детоксикацията на подземните води накара учените да проектират допълнителни щамове бактерии, които да служат на същата цел като Хлорофелкси. Два инженерни щама, A. радиобактерия, намлява Pseudomonas putida MC4 имат подобрен ген за халоалкан дехалогеназа. Но, P. putida е по -успешният щам при разграждането на TCP (Janssen, DB, & Stuck, G., 2000). Учените са открили максимална ефективност, когато P. putida съжителствали подземните води с бактерии, които нямат гени за хемоглобиноподобни протеини и гени, кодиращи флагели (Janssen, DB, & Stuck, G., 2000). Няма пълни теренни проучвания относно разграждането на TCP поради голямата неефективност при понижаване на общите нива на TCP, без да се допринася за нивата на токсичност.
Предимства на биоремедиацията на GEM
успех
Биоремедиацията притежава потенциала за елиминиране на токсични съединения от почвата или подземните води. Агенцията на САЩ за опазване на околната среда (USEPA) цитира 132 успешни биоремедиационни дейности. От успешните биоремедиационни дейности 75 се занимават с петрол и свързани с петрола съединения (Crawford, RL, & Crawford, DL, 2005).
Цена
Ограниченият успех и конкурентоспособността на разходите привличат много изследователи към биоремедиацията на GEM. В сравнение с други решения за поправяне на околната среда, като интегриране на допълнителни химикали, биоремедиацията е по-рентабилна (Sayler, GS, & Ripp, S., 2000). Sailor и Ripp заявяват, че разходите за биоремедиация са поне 33% по -ниски от алтернативите. Алтернативите включват изгаряне и депониране. С течение на времето инженерните микроорганизми станаха по -евтини поради напредъка в технологиите.
Манипулация
Наред с икономическата жизнеспособност и известен успех, учените по биоремедиация на GEM могат да контролират процеса по време на стъпки за ограничаване на скоростта. Някои стъпки в биоремедиацията изискват суровини, като кислород. Ако няма наличен кислород, метаболизмът може да не продължи. Манипулирането на наличността на реактиви, като азот или фосфор, може да увеличи скоростта на разграждане (Sayler, GS, & Ripp, S., 2000).
Удобство
Учените и изследователите се нуждаят от обширно оборудване за наблюдение на напредъка. Генното инженерство на щам бактерии също предотвратява необходимостта от допълнително оборудване. Например, в лукс система, бактериите бързо се откриват от компютрите от тяхната биолуминесценция (Sayler, GS, & Ripp, S., 2000). В резултат на това бионаличността и наличието на замърсители бяха предвидени от наличните бактерии, количествено измерими от компютъра.
Строги правителствени разпоредби
Американската агенция за опазване на околната среда има строга диагностика за оценка на риска, свързана с Закон за контрол на токсичните вещества. Генетично модифицираните микроорганизми трябва да се съобразят с тази диагностика преди освобождаването (Sayler, GS, & Ripp, S., 2000). Тези разпоредби гарантират, че ще настъпи допълнително замърсяване. Но разпоредбите на USEPA възпрепятстват до известна степен пускането на място.
Недостатъци на биоремедиацията на GEM
Необходими предпазни мерки
Недостатъците, свързани с биоремедиацията, използваща GEM, биха могли да надминат предимствата, ако изследователите не вземат необходимите предпазни мерки. Независимо дали са включени GEM или не, биоремедиацията включва обширна предварителна информация, като концентрация на кислород и хранителни вещества, микробен състав, температура, почвени частици и дори редокс потенциал на почвата (Crawford, RL, & Crawford, DL, 2005) . Освен това биоремедиацията представлява риск от остатъчно замърсяване. Следователно процесът изисква интензивен мониторинг, укрепване на околната среда и продължителни инкубационни времена (Crawford, RL, & Crawford, DL, 2005).
Ограничения за пускане на място
Когато се вземат предвид всички необходими предпазни мерки, може да се установи, че освобождаването на полето все още не е изцяло полево освобождаване. Ограничаването на колониите бактерии в контролирана и изкуствена система е от съществено значение за тестване (Sayler, GS, & Ripp, S., 2000). Рискът от замърсяване на околната среда обгръща перспективата за трансформиране на генетичната информация в див тип или естествено срещащи се бактерии. В крайна сметка законовите ограничения имат за цел да предотвратят това.
Правителствени ограничения
Изследователите трябва да имат разрешение от правителството да изследват въздействието на GEM върху околната среда. Сейлър и Рип описват получаването на одобрение като „продължително начинание“. По -специално, в изследването относно P. fluorescens, Университетът на Тенеси подаде молба за разрешение през юли 1995 г. и го получи през март 1996 г. (Ripp et al., 2000). Дори тогава полевият тест започва едва през октомври 1996 г., забавяйки проучването повече от година (Ripp et al., 2000). По време на процеса на получаване на съгласие за изследването, GEMs в естествена среда, микробът може да претърпи модификации и усъвършенствания, съобразени с правителствените насоки. Следователно оригиналният микроб става невалиден при тестване.
Критики
Една от основните критики към биоремедиацията на GEM е невъзможността за документация за ефикасност. В много случаи документирането на ефикасността изисква химически анализ. Имайки това предвид, хроматографията и масспектрометрията, които въвеждат допълнителни химикали в околната среда (Janssen, DB, & Stucki, G., 2020). Етичните въпроси обграждат и биоремедиацията на GEM. Измамните микроби наистина притежават потенциала да причинят допълнителни щети на околната среда чрез освобождаване на излишните токсични метаболити. В изследването на Janssen и Stucki, нежеланите странични реакции на хлорирани съединения могат да доведат до реактивни продукти, съдържащи хлор. Съществуват технически трудности при конструирането на бактерии, които показват правилните катаболни активности или как да се използва целевият субстрат по предназначен начин (Janssen, DB и Stucki, G. 2020). В допълнение към техническите трудности, етични проблеми съраунд биоремедиация с помощта на GEM. Трябва ли организмите да подлежат на генно инженерство, за да възстановят условията, създадени от антропогенни дейности?
Може ли биоремедиацията да поправи ефектите на антропоцена?
Ако изследователите вземат необходимите предпазни мерки, те могат да постигнат известен успех в пускането на пазара на GEM. Има ограничения за освобождаване на полето, за да се предотврати бедствиеи правителствените ограничения законово засилват ограниченията за освобождаване на полето. Освен тези бариери, единственият реален проблем, който задържа биоремедиацията на GEM, са етичните съображения. Тези опасения не само обграждат инженерни микроорганизми, но също така засягат учени, които въвеждат допълнителни химикали в околната среда. Въпреки всички тези недостатъци, успехът на биоремедиацията е обещаващ.
Биоремедиацията на GEM се оказа успешна с петролни продукти. Разбира се, има само въпрос на време нови научни разработки да помогнат в процеса на биоремедиация. С нови научни открития и технологии учените биха могли да манипулират геномите на микроорганизмите по -ефективно. По този начин целевите гени се експресират по -ефективно. Технологичният напредък и новите научни познания също могат да намалят цената на изследванията.
Биоремедиацията може да поправи околната среда, ако има възможност
Ако обществото се откаже от стигмите и силните етични притеснения, свързани с биоремедиацията, GEM може да са спасителите на околната среда. Миналият успех е показал способностите на микроорганизмите и е показал на изследователите от какво точно да внимават. По -нататъшните изследвания могат да намерят начини за предотвратяване на по -нататъшно увреждане на околната среда с помощта на биоремедиация на GEM. Биоремедиацията може да се простира извън елиминирането на петрол, TCP, PCBs и други хлорирани въглеводороди от околната среда. Например, учените могат да манипулират фотосинтезиращите бактерии, за да извършват фотосинтезата с по -висока скорост. В резултат на това въглеродният диоксид, парников газ, намалява концентрацията в околната среда. Тези възможности изискват задълбочени изследвания. Но обществото първо трябва да реши: готови ли сме да заложим на жизнеспособността на нашата околна среда върху работата на генетично модифицираните микроорганизми?
Справочни материали
Bilal, M., & Iqbal, HMN (2020, 4 юни). Биоремедиацията на микробите като стабилен процес за смекчаване на замърсителите, които са от значение за околната среда. Казуси от химическото и екологичното инженерство.
Crawford, RL, & Crawford, DL (2005). Биоремедиация: принципи и приложения, Cambridge University Press.
Freeman, S., Quillin, K., Allison, LA, Black, M., Podgorski, G., Taylor, E., & Carmichael, J. (2017). 26.1. В Биологична наука (стр. 518–523). есе, Пиърсън.
Janssen, DB, & Stucki, G. (2020, 25 февруари). Перспективи на генетично модифицираните микроби за биоремедиация на подземните води. Екологични науки: Процеси и въздействия.
Ripp, S., Nivens, D., Ahn, Y., Werner, C., Jarrell, J., Easter, JP, Cox, CD, Burlage, RS, Sayler, GS (2000). Контролирано освобождаване на биолуминесцентен генетично модифициран микроорганизъм за мониторинг и контрол на процеса на биоремедиация. Наука и технологии за околната среда.
Sayler, GS, & Ripp, S. (2000 г., 30 май). Теренни приложения на генетично модифицирани микроорганизми за биоремедиационни процеси. Актуално мнение в областта на биотехнологиите.
