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As fazendas de cianobactérias podem ajudar a diluir poluentes na atmosfera

As fazendas de cianobactérias podem ajudar a diluir poluentes na atmosfera


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Se bem entendi, cerca de ~ 2,8 bilhões de anos atrás, as cianobactérias começaram a bombear grandes quantidades de oxigênio para a atmosfera.

Usando processos industriais modernos, isso poderia ser emulado com a criação de fazendas de cianobactérias para ajudar a desacelerar o problema climático?

Também li em algum lugar que alguém foi capaz de desativar geneticamente (ou por outros meios) a capacidade de reprodução de uma bactéria específica, fazendo com que ela produzisse um subproduto com muito mais eficiência. Isso também poderia ajudar essas "fazendas"?

Alternativamente, poderíamos remover geneticamente as bactérias de todas as outras funções além da procriação e fotossíntese? Fazer essa bactéria viver em uma "bolha" significaria que ela não precisaria de muitos mecanismos de defesa. Isso poderia criar uma bactéria de propósito único que seria supereficiente nessa tarefa única.


Você tem várias perguntas aqui.

Se bem entendi, cerca de ~ 2,8 bilhões de anos atrás, as cianobactérias começaram a bombear grandes quantidades de oxigênio para a atmosfera.

O grande evento de oxigenação não foi um processo instantâneo e representa a mudança de um equilíbrio (baixo oxigênio) para outro (20% de oxigênio). Essa abundância de oxigênio e carbono orgânico significa que existe um "nicho" para organismos que queimam o carbono orgânico pré-existente e usam o oxigênio como elétron terminal. Os organismos em fermentação usam o carbono orgânico como matéria-prima, mas não têm oxigênio, portanto, usam moléculas orgânicas altamente reduzidas como aceitadores de elétrons terminais (menos energéticos), produzindo ácidos mistos (bactérias do suor) ou etanol (levedura).

Usando processos industriais modernos, isso poderia ser emulado com a criação de fazendas de cianobactérias para ajudar a desacelerar o problema climático?

As cianobactérias e outros fototróficos aeróbios convertem dióxido de carbono em oxigênio e carbono orgânico que podem usar para fazer biomassa. Então, se você tivesse o suficiente deles, você precisaria se livrar da biomassa. A silvicultura responsável pelo alojamento na verdade marca essa caixa (cf. vs. uma floresta madura, que está quase em equilíbrio onde a biomassa é consumida por outros organismos, caso contrário, você teria um solo superficial de crescimento mais rápido).

Também li em algum lugar que alguém foi capaz de desativar geneticamente (ou por outros meios) a capacidade de reprodução de uma bactéria específica, fazendo com que ela produzisse um subproduto com muito mais eficiência. Isso também poderia ajudar essas "fazendas"?

É um grande desafio da biologia sintética interromper o crescimento. É realmente difícil fazer como "trapaça" (ou seja, variante que pode crescer mais rápido) vai dominar. A pesquisa de biocombustíveis sofre com isso, já que a via de biossíntese de ácidos graxos é altamente cara energeticamente e os truques acabam vencendo, apesar das salvaguardas mais complicadas.

Alternativamente, poderíamos remover geneticamente as bactérias de todas as outras funções além da procriação e fotossíntese? Fazer essa bactéria viver em uma "bolha" significaria que ela não precisaria de muitos mecanismos de defesa. Isso poderia criar uma bactéria de propósito único que seria supereficiente nessa tarefa única.

O carbono será um problema, então você precisará fazer biomassa ou algum composto de valor agregado.

Três pontos adicionais:

Biotecnologia verde

Existem muitas empresas de "biotecnologia verde" por aí e há um número crescente de prêmios de química verde indo para biocatálise (enzimas para uma reação) e em alguns casos processos de biologia sintética (organismos inteiros gerados por engenharia para um produto ou intermediário). Mas o primeiro campo tem crescimento lento porque precisa competir contra um século de homo / heterocatalyis (química normal), enquanto o último precisa de muito mais inovação tecnológica para melhorar o chassi de produção (por exemplo, cheats, reações lentas, cluster ferro-enxofre superexpressão e equilíbrio de elétrons são problemas comuns: hidrogenase é um exemplo classicamente citado de um alvo rígido com grande potencial).

Observe que a maioria das biotecnologias verdes desacopla o processo e usa a biomassa de algas ou plantas normais para alimentar seus organismos modificados, pois é mais fácil e há menos problemas de contenção.

Flores de algas

Nos comentários que menciono, a fertilização dos oceanos com ferro (um navio liberando um contêiner de nutrientes através de uma travessia oceânica faz um boom planctônico substancial, que aumenta os níveis de peixes ou afunda e, assim, enterra o carbono convertido em biomassa). Este é um caso curioso de cultivo de algas em grande escala e barato. Mas não sabemos todos os detalhes, sim, estaríamos turbinando os oceanos (que são estéreis em relação a uma selva), mas podemos favorecer a pesca de algas, águas-vivas e desequilíbrios que liberam toxinas e, na verdade, enviar outros à extinção.

Biorreator na ISS

A estação espacial Internacional divide a água para produzir oxigênio, despeja todos os resíduos de carbono para fora (CO2 e ...) e envia água e comida. Isso é estranho, pois você esperaria que eles fossem os primeiros a usar algas para limpar o CO2! No entanto, as coisas estão mudando: eles estão testando um biorreator de algas, que em uma escala maior resultará em um sistema de loop quase fechado. No entanto, há muitos problemas de engenharia e alguns problemas biológicos que precisam ser enfrentados.


Cianobactéria

Cianobactéria / s aɪ ˌ æ n oʊ b æ k ˈ t ɪər i ə /, também conhecido como Cyanophyta, são um filo de bactérias Gram-negativas [4] que obtêm energia por meio da fotossíntese. O nome cianobactéria vem de sua cor (grego: κυανός, romanizado: kyanós, aceso. 'blue'), [5] [6] dando-lhes o outro nome, "algas verde-azuladas", [7] [8] embora os botânicos modernos restrinjam o termo algas aos eucariotos e não o aplique às cianobactérias, que são procariotas. [9] Eles parecem ter se originado em água doce ou em um ambiente terrestre. [10] Sericitocromatia, o nome proposto do grupo parafilético e mais basal, é ancestral do grupo não fotossintético Melainabacteria e das cayanobacteria fotossintéticas, também chamadas de Oxyphotobacteria. [11]

Em 2014 [atualização], a taxonomia estava em revisão [1] [2]

  • Gunflintia
  • Ozarkcollenia
  • Myxophyceae Wallroth, 1833
  • Phycochromaceae Rabenhorst, 1865
  • Cyanophyceae Sachs, 1874
  • Esquizófitas Cohn, 1879
  • Cyanophyta Steinecke, 1931
  • Oxifotobactérias Gibbons e Murray, 1978

Ao contrário dos procariotos heterotróficos, as cianobactérias possuem membranas internas. Esses são sacos achatados chamados tilacóides, onde a fotossíntese é realizada. [12] [13]

Os eucariotos fototróficos, como as plantas verdes, realizam fotossíntese em plastídeos que se acredita terem sua ancestralidade nas cianobactérias, adquiridas há muito tempo por meio de um processo denominado endossimbiose. Essas cianobactérias endossimbióticas em eucariotos evoluíram e se diferenciaram em organelas especializadas, como cloroplastos, etioplastos e leucoplastos.

Ao produzir e liberar oxigênio como um subproduto da fotossíntese, acredita-se que as cianobactérias converteram a atmosfera precária pobre em oxigênio, reduzindo a atmosfera em oxidante, causando o Grande Evento de Oxigenação e a "ferrugem da Terra", [14] que mudou dramaticamente a composição das formas de vida da Terra e levou à quase extinção dos organismos anaeróbicos. [15]

As cianobactérias produzem uma variedade de toxinas conhecidas como cianotoxinas que podem representar um perigo para humanos e animais.

As cianobactérias Synechocystis e Cyanothece são importantes organismos-modelo com aplicações potenciais em biotecnologia para produção de bioetanol, corantes de alimentos, como fonte de alimentação humana e animal, suplementos dietéticos e matérias-primas.


As fazendas de cianobactérias poderiam ajudar a diluir poluentes na atmosfera - Biologia

A BASF inseriu um gene em uma planta de milho que a torna mais resistente à seca. Foto: BASF

A maior parte da ciência ambiental está focada em como voltar no tempo, não avançar, diz Ben Bostick, geoquímico do Observatório Terrestre Lamont-Doherty. “Pensamos em como podemos reverter nossa pegada, e não tanto sobre como podemos aumentar nossa pegada de forma positiva”, disse ele. “Mas existem muitos exemplos de biologia sintética que eu acho que realmente têm muito potencial no meio ambiente. Pense em como podemos ajudar nosso meio ambiente apenas fazendo coisas como melhorar os materiais que fabricamos usando biologia sintética. ”

Biologia sintética (synbio) é a construção de componentes biológicos, como enzimas e células, ou funções e organismos que não existem na natureza, ou seu redesenho para desempenhar novas funções. Biólogos sintéticos identificam sequências de genes que dão aos organismos certas características, criam-nas quimicamente em um laboratório e, em seguida, inserem-nas em outros microorganismos, como E. coli, para que produzam as proteínas, características ou funções desejadas.

Desde 2011, quando escrevi uma introdução geral ao synbio, o campo cresceu rapidamente.

Um dos motivos para isso é o desenvolvimento da ferramenta de edição de genes CRISPR-Cas9, usada pela primeira vez em 2013, que localiza, corta e substitui DNA em locais específicos. Outro motivo é a facilidade de usar o Registro de peças biológicas padrão, que cataloga mais de 20.000 peças genéticas ou BioBricks que podem ser encomendados e usados ​​para criar novos organismos ou sistemas sintéticos.

Em 2018, os investidores despejaram US $ 3,8 bilhões e governos de todo o mundo investiram US $ 50 milhões em empresas synbio. Em 2022, o mercado global de aplicativos synbio está projetado em US $ 13,9 bilhões. Mas a biologia sintética ainda é controversa porque envolve alterar a natureza e seu potencial e riscos não são completamente compreendidos.

Bostick, que trabalha para remediar a contaminação de águas subterrâneas por arsênio estimulando bactérias naturais a produzir substâncias às quais o arsênio adere, explicou que, na verdade, toda a comunidade biológica que atua em organismos altera os sistemas biológicos o tempo todo, mas não altera o material genético ou organismos. Os cientistas excluem enzimas, inserem novas e mudam coisas diferentes para entender o mundo natural "Essas são técnicas padrão agora, mas são feitas mecanicamente", disse ele. “Se você quiser ver como uma proteína funciona, o que você faz? Você realmente muda - é exatamente assim que estudamos nosso ambiente. Eles são sintéticos e são alterações biológicas, mas eles simplesmente não são feitos com o propósito que define a biologia sintética. ” Synbio é mais controverso porque seu objetivo é construir sistemas biológicos artificiais que ainda não existem no mundo natural.

No entanto, a biologia sintética está produzindo algumas soluções potenciais para nossos problemas ambientais mais intratáveis. Aqui estão alguns exemplos.

Lidando com a poluição

Os micróbios têm sido usados ​​para detectar, identificar e quantificar os poluentes ambientais há décadas. Agora, biossensores microbianos sintetizados são capazes de atingir toxinas específicas como arsênio, cádmio, mercúrio, nitrogênio, amônio, nitrato, fósforo e metais pesados ​​e responder de várias maneiras. Eles podem ser projetados para gerar um sinal eletroquímico, térmico, acústico ou bioluminescente ao encontrar o poluente designado.

O CRISPR foi usado para dar às moscas-das-frutas olhos fluorescentes vermelhos. Foto: NICHD

Alguns micróbios podem descontaminar o solo ou a água naturalmente. Sintetizar certas proteínas e transferi-las para essas bactérias pode melhorar sua capacidade de se ligar ou degradar metais pesados ​​ou radionuclídeos. Uma bactéria do solo recebeu novos circuitos reguladores que a orientam a consumir produtos químicos industriais como alimento. Pesquisadores na Escócia estão desenvolvendo bactérias para converter metais pesados ​​em nanopartículas metálicas, que são usadas na medicina, na indústria e nos combustíveis.

CustoMem no Reino Unido usa biologia sintética para criar um material granular que atrai e adere a micropoluentes, como pesticidas, produtos farmacêuticos e certos produtos químicos em águas residuais. E pesquisadores australianos estão tentando criar uma estrutura multicelular que eles chamam de “água-viva sintética” que poderia ser liberada após um vazamento tóxico para quebrar os contaminantes.

Preservando a biodiversidade

Os cientistas estão usando a biologia sintética para tornar os castanheiros americanos mais resistentes a um fungo mortal. Foto: Joe Blowe

Os castanheiros americanos dominaram a costa leste dos Estados Unidos até 1876, quando um fungo carregado de sementes de castanha importadas os devastou, deixando menos de um por cento em 1950. Para fazer árvores resistentes à praga, os cientistas inseriram um gene do trigo em embriões de castanha, permitindo para produzir uma enzima que desintoxica o fungo. Este castanheiro provavelmente se tornará o primeiro organismo geneticamente modificado a ser liberado na natureza, uma vez que seja aprovado pelo Departamento de Agricultura, pela Food and Drug Administration (FDA) e pela Agência de Proteção Ambiental (EPA).

Revive & amp Restore, uma organização que usa técnicas genéticas para preservar a biodiversidade, está tentando resgatar o furão de pés pretos em perigo, que é suscetível à peste silvestre. Como o furão doméstico não é, os cientistas estão estudando a possibilidade de encontrar os genes que dão resistência ao furão doméstico e editá-los no genoma do furão-de-pé-preto. A pesquisa começará com culturas de células em laboratório.

Gene drives são mecanismos que espalham uma característica genética desejada através de uma população para controlar espécies invasoras. Um gene drive foi recentemente considerado para controlar o mexilhão dourado, que invadiu as águas da América do Sul e da América Latina. Depois de identificar os genes relacionados à reprodução e infertilidade em mexilhões dourados, os cientistas propuseram o uso de CRISPR-Cas9 para editar o genoma do mexilhão para tornar as fêmeas inférteis. Os mexilhões geneticamente modificados seriam então cruzados com mexilhões selvagens em laboratório, criando embriões modificados que poderiam ser liberados na natureza para espalhar a infertilidade pela população. Uma unidade genética para eliminar os mosquitos transmissores da malária funcionou em laboratório, mas nenhuma unidade genética projetada foi tentada em campo ainda.

Esta crosta do solo contém cianobactérias, algas, fungos e líquenes. Foto: livros de cerveja

Alguns cientistas também estão trabalhando na modificação dos genomas dos corais para dar-lhes mais resistência ao aquecimento, à poluição e à acidificação dos oceanos. Outros propuseram modificar os genes das cianobactérias que afetam a umidade na crosta do solo de ecossistemas semidesérticos para que o solo retenha mais água e mais vegetação possa crescer.

Alimentando o mundo

Com a expectativa de que a população mundial atinja 10 bilhões em 2050, a demanda global por alimentos pode aumentar de 59 a 98 por cento. Os impactos das mudanças climáticas - temperaturas mais altas, condições climáticas extremas, secas, níveis crescentes de dióxido de carbono e aumento do nível do mar - estão colocando em risco a quantidade e a qualidade de nossos suprimentos de alimentos.

Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego descobriram que quando as plantas encontram condições de seca, elas liberam um hormônio que fecha os poros da planta para reter água, retarda seu crescimento e mantém as sementes dormentes. Esse hormônio é caro para sintetizar, no entanto, então os cientistas trabalharam com receptores desenvolvidos sinteticamente em tomateiros que responderam de forma semelhante à conservação de água a um fungicida comumente usado, tornando as plantas mais resistentes à seca.

Os cientistas do Salk Institute identificaram os genes que estimulam o sistema radicular de uma planta a crescer mais profundamente no solo. Eles planejam criar caminhos genéticos para criar raízes mais profundas, o que permitirá que as plantas resistam ao estresse, sequestrem mais carbono e enriqueçam o solo.

Os micróbios que vivem com as leguminosas lhes dão a capacidade de converter o nitrogênio da atmosfera em nutrientes de que a planta precisa para crescer. No entanto, como outras plantas não conseguem assimilar o nitrogênio naturalmente, os agricultores costumam usar fertilizantes químicos. A produção de fertilizantes, feita principalmente a partir de combustíveis fósseis, resulta em emissões de gases de efeito estufa e eutrofização. Como alternativa, a Pivot Bio, uma empresa da Califórnia, projetou os genes de um micróbio que vive nas raízes das plantas de milho, trigo e arroz para permitir que o micróbio retire o nitrogênio do ar e o alimente a uma planta em troca de nutrientes . Em testes de campo, seu micróbio produtor de nitrogênio para milho rendeu 7,7 alqueires por acre a mais do que os campos fertilizados quimicamente.

A agricultura, incluindo a criação de gado, é responsável por cerca de 8 por cento das emissões de gases de efeito estufa dos EUA. Micróbios geneticamente modificados estão sendo usados ​​para produzir alimentos mais sustentáveis, éticos e potencialmente mais saudáveis. A Motif Ingredients está desenvolvendo ingredientes proteicos alternativos sem a agricultura animal. Ele usa micróbios projetados para produzir proteínas alimentares que podem ser adaptadas para imitar sabores ou texturas semelhantes aos encontrados na carne bovina e laticínios.

O hambúrguer impossível. Foto: Dale Cruse

O hambúrguer vegetal da Impossible Foods contém heme sintetizado, a molécula que contém ferro encontrada em animais e plantas que dá à carne seu sabor sangrento. Para fazer isso, os cientistas adicionaram um gene de planta à levedura, que, após a fermentação, produziu grandes quantidades da proteína heme. O Impossible Burger usa 75% menos água e 95% menos terra do que um hambúrguer de carne normal e produz 87% menos emissões de gases de efeito estufa.

À medida que a demanda por frutos do mar cresce globalmente (os estoques pesqueiros já estão 90% sobreexplorados), também aumenta a necessidade de farinha de peixe, as pelotas de proteína feitas de pequenos peixes moídos e grãos que alimentam os peixes de viveiro e também o gado. A NovoNutrients, sediada na Califórnia, usa CO2 de emissões industriais para alimentar bactérias criadas em laboratório, que então produzem proteínas semelhantes aos aminoácidos que os peixes obtêm ao comer peixes menores - as bactérias substituem a farinha de peixe, fornecendo aos peixes proteínas e outros nutrientes.

Criação de produtos mais verdes

A queima de combustíveis fósseis para obter energia foi responsável por 94 por cento do total de emissões antropogênicas de CO2 dos EUA em 2016, portanto, muitas pesquisas têm como objetivo criar biocombustíveis melhores que não competem com a produção de alimentos, nutrientes do solo ou espaço. A última geração de biocombustíveis concentra-se em microalgas modificadas, que têm alto teor de gordura e carboidratos, crescem rapidamente e são relativamente robustas. Alterar suas vias metabólicas permite que eles fotossintetizem com mais eficiência, produzam mais óleo, absorvam mais carbono e sejam mais resistentes, de modo que seu número possa ser aumentado.

O Laboratório Nacional de Energia Renovável está estudando microalgas para biocombustíveis
Foto: DOE

A LanzaTech, em Illinois, identificou um organismo que produz etanol naturalmente a partir de gases residuais industriais. Depois que a empresa o desenvolveu com “caminhos” de outros organismos para melhorar seu desempenho, o organismo é capaz de produzir moléculas exclusivas para produtos químicos e combustíveis valiosos. A primeira planta comercial da LanzaTech na China produziu mais de sete milhões de galões de etanol a partir de emissões de usinas siderúrgicas que podem ser convertidos em combustível de aviação e outros produtos.

165 milhões de toneladas de plástico destruíram os oceanos, com quase 9 milhões de toneladas adicionais sendo adicionadas a cada ano. A Synbio pode fornecer uma solução para este problema de poluição, tanto degradando quanto substituindo o plástico.

Em 2016, pesquisadores no Japão identificaram duas enzimas em uma bactéria que a permitem se alimentar e degradar o plástico PET, o tipo usado em garrafas de água e recipientes de comida. Desde então, pesquisadores de todo o mundo vêm analisando como as enzimas decompõem o plástico e tentando melhorar sua capacidade de fazê-lo.

A Newlight Technologies, com sede na Califórnia, está usando um biocatalisador baseado em microorganismos especialmente desenvolvido (semelhante a uma enzima) para transformar o gás residual capturado do ar em um bioplástico. O biocatalisador retira carbono do metano ou dióxido de carbono de fazendas, estações de tratamento de água, aterros sanitários ou instalações de energia e, em seguida, combina-o com hidrogênio e oxigênio para sintetizar um material de biopolímero. O biopolímero, denominado AirCarbon, pode substituir o plástico em móveis e embalagens.

A lignina é um componente-chave das plantas que, como outros tipos de biomassa, pode ser usada para combustíveis renováveis ​​e produtos químicos. Uma vez que muito poucas bactérias e fungos podem decompor-se naturalmente, os cientistas vêm tentando há anos desenvolver uma maneira eficiente de fazê-lo. Agora, alguns desenvolveram uma enzima que ocorre naturalmente para quebrá-la, o que poderia eventualmente tornar possível o uso de lignina para náilon, bioplásticos e até mesmo fibra de carbono.

A fabricação de dispositivos eletrônicos complexos requer substâncias tóxicas, raras e não renováveis ​​e gera mais de 50 milhões de toneladas de lixo eletrônico a cada ano. Simon Vecchioni, que recentemente defendeu seu PhD em engenharia biomédica na Universidade de Columbia, está usando biologia sintética para produzir nanofios e redes de DNA como uma alternativa à tecnologia de dispositivos de silício.

Vecchioni encomendou DNA sintetizado de uma empresa, usou-o para criar seu próprio BioBrick - um pedaço circular de DNA - e o inseriu na bactéria E.coli, que criou cópias do DNA. Ele então cortou uma parte do DNA e inseriu um íon de prata nele, transformando o DNA em um condutor de eletricidade. Seu próximo desafio é transformar os nanofios de DNA em uma rede. Os nanofios de DNA podem um dia substituir os fios feitos de metais valiosos como ouro, prata (que a Vecchioni usa apenas em escala atômica), platina e irídio, e sua capacidade de "automontagem" pode eliminar o uso de produtos químicos de processamento tóxicos usado para gravar silício.

“Uma tecnologia de fabricação de circuitos elétricos em nanoescala poderia transformar a indústria eletrônica. As bactérias são fábricas em microescala e o DNA é um material biodegradável ”, disse. “Se tivermos sucesso, podemos esperar produzir eletrônicos limpos, baratos e renováveis ​​para uso do consumidor.”

A produção de cimento (um ingrediente-chave do concreto) é responsável por cerca de 8% das emissões globais de gases de efeito estufa por causa da energia necessária para minerar, transportar e preparar as matérias-primas. O bioMASON na Carolina do Norte oferece uma alternativa colocando areia em moldes e injetando bactérias, que são alimentadas com íons de cálcio na água. Os íons criam uma camada de carbonato de cálcio com as paredes celulares da bactéria, fazendo com que as partículas se colem. Um tijolo cresce em três a cinco dias. Os tijolos do bioMASON podem ser personalizados para brilhar no escuro, absorver a poluição ou mudar de cor quando molhados.

Vestir-se de forma mais sustentável

A moda rápida tem um impacto desastroso no meio ambiente por causa de seus corantes e acabamentos de tecido, uso de combustível fóssil e poluição de microfibra. Cerca de três quartos da água usada para tingir acaba como esgoto tóxico, e mais de 60% dos tecidos são feitos de poliéster e outras fibras baseadas em combustíveis fósseis que desprendem microfibras quando lavadas, poluindo nossas águas.

Fábrica de têxteis em Bangladesh Foto: NYU Stern BHR

A empresa francesa Pili sintetiza enzimas que podem ser adaptadas para produzir cores diferentes e, em seguida, as integra às bactérias. As bactérias são então capazes de criar pigmentos. O corante Pili é produzido sem produtos de petróleo ou produtos químicos e usa um quinto da água dos corantes regulares.

A seda de aranha, considerada um dos materiais mais fortes da natureza, é elástica, durável e macia. A Bolt Threads, com sede em San Francisco, estudou o DNA de aranha para descobrir o que dá à seda de aranha suas características especiais, em seguida, desenvolveu genes de acordo e os colocou na levedura, que, após a fermentação, produziu grandes quantidades de proteínas líquidas da seda. A proteína da seda é então transformada em fibras, que podem ser transformadas em Microsilk renováveis.

Os riscos do synbio

Nos EUA, os produtos químicos e farmacêuticos synbio são regulados principalmente pela Lei de Controle de Substâncias Tóxicas de 1976. Outros produtos e aplicações comerciais da synbio são regulamentados pela EPA, Departamento de Agricultura e FDA. Mas essas agências têm capacidade e eficácia para monitorar a biologia sintética tão rápido quanto ela está se desenvolvendo e mudando?

Como algumas aplicações sin bio estão começando a sair do laboratório, existem preocupações sobre seus potenciais riscos ambientais. Se um organismo modificado, como aqueles usados ​​em impulsos genéticos, for liberado na natureza, poderia ser mais bem-sucedido do que as espécies existentes em um ecossistema e se espalhar sem controle?

Bostick observou que cada projeto de biologia sintética hoje geralmente se concentra em uma modificação muito específica. “É adicionar ou alterar uma única enzima, possivelmente colocando uma série de enzimas para que possa fazer uma coisa”, disse ele. “Muito raramente você ajusta o resto do organismo, por isso não é crítico para o sucesso do organismo e não é provável que funcione desenfreado. Do ponto de vista científico, é difícil mudar mais de uma coisa. ”

Além disso, de acordo com Vecchioni, a maioria das pesquisas de synbio está sendo feita por grupos de estudantes por meio da competição internacional de máquinas geneticamente modificadas do iGEM & # 8217s, e todo projeto iGEM deve ter um componente de segurança - alguma forma de desligar o gene ou regulá-lo se ele vazar.

Outra preocupação é que a criação ou modificação de organismos poderia ser usada para criar uma doença com o propósito de bioterrorismo. Vecchioni explicou que o FBI está procurando por isso. “Eles entram bem e dizem 'oi, estamos observando'”, disse ele. “Eles também vão a conferências e apenas se certificam de que as pessoas estão sendo espertas sobre isso.” Ele acrescentou que as empresas de síntese de DNA também estão em alerta. “Eles têm uma biblioteca de pedaços perigosos de DNA conhecidos, então, se você tentar encomendar algo que é conhecido por criar doenças em qualquer organismo, o FBI virá bater à sua porta.”

Uma preocupação mais recente é que os institutos de pesquisa começaram a estabelecer biofoundries, instalações que dependem fortemente de automação e inteligência artificial (IA) para aprimorar e acelerar suas capacidades de biotecnologia. Jim Thomas, co-diretor executivo do Grupo ETC, que monitora tecnologias emergentes, está preocupado com as dezenas de milhares de organismos que a IA está sendo usada para criar. “Isso levanta uma questão de segurança real porque se algo der errado, você potencialmente não entende por que deu errado”, disse Thomas. “Com IA, é um pouco como uma caixa preta.” Ele observou que a maioria dos especialistas concorda que deve haver um processo para monitorar e avaliar novos desenvolvimentos no synbio.

Apesar dos riscos potenciais do synbio, seus benefícios potenciais para o planeta são enormes. E como nosso meio ambiente é prejudicado pelos impactos das mudanças climáticas e da atividade humana, precisamos explorar todas as opções. “Precisamos de todas as soluções possíveis para, mesmo remotamente, chegar à magnitude da mudança de que precisamos para melhorar nosso mundo”, disse Bostick.


Introdução

A atual população mundial de cerca de 7,2 bilhões deve ultrapassar 9,6 bilhões até o final do ano 2050. Para fornecer alimentos a todos nessa época, a produção anual de cereais precisa de um salto de cerca de 50%, ou seja, de 2,1 bilhões toneladas por ano a & # x223C3 bilhões de toneladas por ano. Esta meta onerosa coloca enorme pressão sobre o setor agrícola para alcançar a segurança alimentar. Mas esse salto quântico na produção de alimentos pode ser alcançado trazendo mais e mais terras para cultivo ou aumentando a produtividade das terras cultiváveis ​​disponíveis. A primeira opção continua sendo um sonho distante em vista da limitação de terras e da população crescente. A opção de aumentar a fertilidade do solo e a produtividade agrícola com a ajuda de melhores ferramentas de manejo ecologicamente corretas promete uma segurança alimentar de sucesso.

As práticas agrícolas atuais são fortemente dependentes da aplicação de fertilizantes e pesticidas sintéticos, lavoura intensiva e irrigação excessiva, que sem dúvida ajudaram muitos países em desenvolvimento a atender às necessidades alimentares de seu povo, mas levantaram problemas ambientais e de saúde, que incluem a deterioração do solo fertilidade, uso excessivo da terra e dos recursos hídricos, meio ambiente poluído e aumento do custo da produção agrícola. Uma grande questão diante da agricultura atual é aumentar a produção agrícola para atender às necessidades alimentares presentes e futuras da população dentro dos recursos limitados disponíveis, sem deteriorar a qualidade ambiental (Singh e Strong, 2016). As práticas agrícolas sustentáveis ​​podem atender à necessidade crescente de alimentos, bem como de qualidade ambiental (Mason, 2003). A filosofia atual de agricultura sustentável inclui uma agricultura ecológica e de baixo custo com a ajuda de microorganismos nativos. Também enfatiza que os agricultores devem trabalhar com processos naturais para conservar recursos como solo e água, ao mesmo tempo em que minimizam o custo da produção agrícola e a geração de resíduos que afetam negativamente a qualidade do meio ambiente. Essas práticas de manejo agrícola sustentável tornarão o agroecossistema mais resiliente, autorregulado e também manterá a produtividade e a lucratividade.

Há muito tempo, os micróbios são conhecidos por contribuir para a fertilidade do solo e a produção sustentável de energia verde (Koller et al., 2012). Durante as últimas décadas, os processos microbianos de produção de energia verde têm ganhado interesse como ferramenta sustentável para a geração de biocombustíveis, nomeadamente o metano (CH4), etanol, H2, butanol, gás de síntese, etc. As investigações atuais testemunharam um aumento notável na produção de biomassa cianobacteriana para biocombustíveis, suplementos alimentares (superalimentos) e biofertilizantes para uma agricultura segura (Yamaguchi, 1997 Benson et al., 2014). Eles foram classificados como bioagentes benéficos e inofensivos com base em seu papel na regulação da produtividade das plantas. Na realidade, esses dois grupos diversos de microrganismos coexistem na natureza, e a predominância de um em qualquer ponto do tempo depende principalmente das condições ambientais. Por muitos anos, microbiologistas e ecologistas microbianos têm estudado o efeito de microrganismos benéficos ou eficientes do solo para a agricultura sustentável, que não apenas contribuem para a fertilidade do solo, crescimento e rendimento da colheita, mas também melhoram a qualidade do meio ambiente.

Hoje em dia, as práticas de agricultura sustentável têm previsto um papel importante desses minúsculos microorganismos no alcance da segurança alimentar sem criar problemas ambientais. As tendências recentes de uso de bioinoculantes contendo micróbios benéficos do solo em vez de fertilizantes sintéticos, inseticidas e pesticidas para aumentar a produtividade da cultura é um passo bem-vindo. Como um micróbio benéfico, as cianobactérias podem desempenhar um papel potencial no aumento da produtividade agrícola e na mitigação das emissões de GEE (Singh, 2011 Singh et al., 2011a). Muito recentemente, foi proposto que as cianobactérias poderiam ser os bioagentes vitais na restauração ecológica de terras degradadas (Singh, 2014). As cianobactérias são o grupo de organismos fotossintéticos que podem sobreviver facilmente com a necessidade mínima de luz, dióxido de carbono (CO2) e água (Woese, 1987 Castenholz, 2001). Eles são fototróficos e ocorrem naturalmente em vários agroecossistemas, como arrozais e da Antártica aos pólos árticos (Pandey et al., 2004). Eles atendem às suas próprias necessidades de nitrogênio por nitrogênio (N2) -fixação e produção de alguns compostos bioativos, que promovem o crescimento da cultura / protegem de patógenos e melhoram o estado nutricional do solo. As cianobactérias também são úteis para o tratamento de águas residuais e têm a capacidade de degradar os vários compostos tóxicos, até mesmo os pesticidas (Cohen, 2006). A conceptual model about the role of cyanobacteria in sustainable agriculture and environmental management has been proposed (Figure 1). This review highlights the role of cyanobacteria in bio-energy production, ecological restoration, agriculture and environmental sustainability.

FIGURE 1. A hypothetical model exhibiting the potential roles of cyanobacteria in sustainable agriculture and environmental management.


Acknowledgements

The authors thank J. van Arkel for help with the drawings and A. Ballot, W. van Egmond, S. Flury, E. Killer, L. Krienitz and M. Stomp for sharing their photographs. H.W.P. was supported by the US National Science Foundation and the Chinese Ministry of Science and Technology. J.M.H.V. was supported by Amsterdam Water Science, which was funded by the Amsterdam Academic Alliance.

Reviewer information

Nature Reviews Microbiology thanks B. Neilan, B. Qin and the other anonymous reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work.


What are harmful algal blooms?

Harmful algal blooms are overgrowths of algae in water. Some produce dangerous toxins in fresh or marine water but even nontoxic blooms hurt the environment and local economies.

What are the effects of harmful algal blooms?

Did you know?

Climate change might lead to stronger and more frequent algal blooms.
Find out how.

What causes harmful algal blooms?

Nutrient pollution from human activities makes the problem worse, leading to more severe blooms that occur more often.

What you can do to help

The following links exit the site Exit

Volunteer to monitor waterbodies for algal blooms

Report suspected algal blooms to your state

State departments of health or environment are the best sources for local information about harmful algal blooms.

Help prevent nutrient pollution

Simple actions around your home and yard can make a big difference


CHAPTER 6 - Biological Solutions

Biological solutions to problems in environmental engineering often involve engineers integrating apparently disjointed biological knowledge, and tailoring this knowledge to address specific engineering challenges. This chapter describes how the emerging discipline of environmental biotechnology contributes to the field of environmental engineering. Biological solutions help in assessing the risk to human health and determining the effectiveness of environmental engineering design decisions to reduce this risk to an acceptable level for the least possible cost. Molecular biology-based forensic tools are increasingly used by researchers in environmental engineering to address the problem of identifying the source of microbiological pollution for Section 303d waters. This emerging field of microbial or bacterial source tracking (MST or BST) often relies upon molecular biology-based assays to identify specific microorganisms and to link environmental microbiological pollution to its source. Wastewater treatment plants are also a biological solution to the problem of highly concentrated organic pollution. In such wastewater treatment plants, the processes of microbial degradation of organic waste with biomass production followed by sedimentation are encouraged to occur in a highly controlled environment. In the past 10 years, environmental engineers have collaborated with microbiologists to develop alternative technologies for total nitrogen removal that avoid some of the inefficiency of nitrification followed by denitrification. The alternative biological solution to total nitrogen removal is known as anaerobic ammonia oxidization (ANAMMOX). In the ANAMMOX process, specific populations of microorganisms couple the reduction of nitrite to the simultaneous oxidization of ammonia to produce dinitrogen gas.


Water Quality and Sustainability

4.8.5.2.1.3 Climate impact

Cyanobacteria are a type of prokaryote. Outbreaks only occur when the population of cyanobacteria per unit of water increases drastically. The growth profile of cyanobacteria presents an S-shape curve, which indicates that a certain amount of time is needed for single cells and groups to develop. Environmental conditions, especially water temperature, significantly impact their growth rate. Cyanobacteria tend to become overpopulated at certain temperatures. Otherwise, the growth rate is inhibited and the population size remains low. In this way, climate plays an important role in early period of cyanobacteria growth. Zheng et al. (2008) reported that cyanobacteria outbreaks readily occurred over periods of 30 days during which sufficient nutrients were available, temperature remained above 18 °C, active accumulated temperature remained above 370 °C·d, weak wind conditions, and more than 208 h of sunlight. However, climate conditions such as high relative humidity, precipitation, and wind speed do not influence cyanobacteria outbreaks remarkable. Generally, July and August in the Taihu lake basin is usually favorable to cyanobacteria outbreaks.


DNA Tests Could Help Predict, Prevent Harmful Algal Blooms

A paper published in the current issue of the International Journal of Environment and Pollution, explains how a DNA test can be used to detect harmful algal blooms across the globe. The approach outlined could help reduce the economic impact on fisheries, recreational activities, and aquaculture sites, such as salmon and shellfish farms, and pearl oyster farms.

It could also help decrease the outbreaks of food poisoning due to contamination of seafood by the toxins some of these algae produce.

Senjie Lin, an Associate Professor of Molecular Ecology in the Department of Marine Sciences, at University of Connecticut, explains that the geographic extent, frequency, intensity, and economic impact of harmful algal blooms have increased dramatically in recent decades throughout the coastlines of the world. It is possible, he suggests, that this increase is partly due to greater awareness and better monitoring technology.

However, factors such as climate change and increasing levels of pollution are more likely to blame for algal bloom occurrences. Ironically, says Lin, aquaculture operations themselves are often the cause of algal blooms because of the large mass of concentrated waste products from cultured animals.

Algae include cyanobacteria, dinoflagellates, diatoms, raphidophytes, haptophytes, and various other species many of which produce potent toxins. Some, however, are hazardous simply because of the unusually high biomass they produce along a coastline, lake, or other body of water. It was recently estimated that annual economic losses due to algal blooms in the USA alone runs to tens of millions of dollars.

"To minimize economic and environmental impacts, an early warning detection system is needed," says Lin. He has reviewed the two molecular biology techniques that are most commonly used to detect harmful algae, with the putatively toxic dinoflagellate Pfiesteria piscicida as a case study.

Lin's paper provides practical information on the technical aspects of using biological markers - DNA or RNA - to detect the algae quickly and easily without the need for highly sophisticated methods or equipment. Crucial to success is the development of a portable device that could be used on board research vessels or fishing vessels equally as well.

Fonte da história:

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Role of microalgae and cyanobacteria in wastewater treatment: genetic engineering and omics approaches

Emergence of pollutants in wastewater, expensive cultivation of microalgae, and difficulties in industrial scale production are the main challenges for successful coupling of microalgae with wastewater. Nitrogen, carbon, and phosphorus in wastewater are deliberately consumed by microalgae and cyanobacteria for their growth and could act as green technology for wastewater treatment. In this review, the role and mechanistic approaches of microalgae and cyanobacteria for removal of various (in)organic compounds from wastewater have been thoroughly addressed. Distinct pathways have been reported for improving wastewater treatment technologies through large-scale cultivation of microalgal. The techno-economic feasibility and major commercial production challenges along with genetic engineering research have been addressed. A biorefinery approach with integrated biology, ecology, and engineering would lead to a feasible microalgal-based technology for various applications.

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Household products can really pollute the air

Everyday products like these emit a bouquet of chemicals that contribute vapors into the air. A spritz of cleanser or spray of some disinfectant will have a small effect. Frequent use of these products by millions of people, however, can really pollute the air.

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February 27, 2018 at 6:45 am

AUSTIN, Texas — Families wanting to reduce their impact on air pollution might need to do more than trade in a gas-guzzling car, a new study reports. It found that simple household items also are dirtying urban air. One example: those nicely scented air fresheners.

Paints, cleaning supplies and personal care products (think deodorants and hair sprays) are among common products that send a host of chemicals into the air. These air pollutants — some of them sweet smelling — now contribute as much to lung-irritating ozone and to tiny airborne particulates as does the burning of gasoline or diesel fuel.

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It might not seem that way, but the finding is a mark of success, says Brian McDonald. He is a chemist at the Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences in Boulder, Colo. He also was an author of the new study. And he shared some of his team’s findings February 15 during a news conference. It took place here, at the annual meeting of the American Association for the Advancement of Science. His group’s data also were published February 16 in Ciência.

Steps to clean up car exhaust over the past few decades have had a huge effect, says McDonald. As a result, he notes, in cities “the sources of air pollution are now becoming more diverse.”

Spyros Pandis works at Carnegie Mellon University in Pittsburgh, Pa. He’s a chemical engineer who did not take part in the study. “When you have a big mountain in front of you,” he explains, “it’s difficult to know what lies behind it.” Now that big sources (such as traffic emissions) are falling, other sources become more visible.

The new study focused on a class of pollutants known as volatile organic compounds. Most are derived from petroleum or other fossil fuels. These VOCs are hundreds of diverse chemicals that easily evaporate. These gases then may linger in the air.

Some VOCs can be harmful when directly inhaled. Bleach and paint fumes make people lightheaded, for example. But beyond their immediate effects, VOCs also can react in the air with other chemicals. (These include oxygen and nitrogen oxides, largely from vehicle exhaust.) Those reactions can create ozone as well as fine particulates. High levels of fine particulate, tiny dustlike motes, can make it hard to breathe. They also can help foster chronic lung problems, diabetes and heart disease. (And while ozone high in the atmosphere helps shield earth from the sun’s harmful ultraviolet rays, at ground level it mixes with fine particulates to brew up breath-choking smog.

For six weeks, the researchers collected air samples in Pasadena, Calif. This was at a site in the well-known smoggy Los Angeles valley. They also studied indoor air measurements made by other scientists. The team traced the VOCs in these air samples to their original sources. To do this, they used databases showing the particular VOCs released by different household products.

Those household products had an outsized effect on air pollution, the team now reports. By weight, people use about 15 times more gasoline and diesel compared with VOC-emitting goods, such as soaps, shampoos, deodorants, air fresheners, glues and cleaning sprays. Yet those household products were responsible for 38 percent of the VOC emissions, the researchers found. That amount is 6 percentage points higher than the share due to gasoline and diesel use. The VOCs from household products also contributed as much as the fuels did to the production of ozone and fine particulates.

VOC-emitting consumer products

  • Xampu
  • Hairspray
  • Desodorante
  • Perfume
  • Air fresheners
  • Cleaning sprays
  • Laundry detergent
  • Disinfectant wipes
  • Hand sanitizer
  • Cola
  • Pintar

Power Words

Associação Americana para o Avanço da Ciência Formed in 1848, it was the first permanent organization formed to promote the development of science and engineering at the national level and to represent the interests of all its disciplines. It is now the world&rsquos largest such society. Despite its name, membership in it is open to anyone who believes &ldquothat science, technology, engineering, and mathematics can help solve many of the challenges the world faces today.&rdquo Its members live in 91 nations. Based in Washington, D.C., it publishes a host of peer-reviewed journals &mdash most notably Ciência.

anual Adjective for something that happens every year.

atmosfera The envelope of gases surrounding Earth or another planet.

descolorir A dilute form of the liquid, sodium hypochlorite, that is used around the home to lighten and brighten fabrics, to remove stains or to kill germs. Or it can mean to lighten something permanently, such as: Being in constant sunlight bleached most of the rich coloring out of the window drapes.

químico Uma substância formada por dois ou mais átomos que se unem (se ligam) em uma proporção e estrutura fixas. For example, water is a chemical made when two hydrogen atoms bond to one oxygen atom. Its chemical formula is H2O. Chemical also can be an adjective to describe properties of materials that are the result of various reactions between different compounds.

Engenheiro Químico Pesquisador que usa a química para resolver problemas relacionados à produção de alimentos, combustíveis, medicamentos e muitos outros produtos.

crônica A condition, such as an illness (or its symptoms, including pain), that lasts for a long time.

composto (frequentemente usado como sinônimo de produto químico) Um composto é uma substância formada quando dois ou mais elementos químicos se unem (se ligam) em proporções fixas. Por exemplo, a água é um composto feito de dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio. Seu símbolo químico é H2O.

base de dados An organized collection of information.

diabetes A disease where the body either makes too little of the hormone insulin (known as type 1 disease) or ignores the presence of too much insulin when it is present (known as type 2 diabetes).

combustível diesel Heavier and oilier than gasoline, this is another type of fuel made from crude oil. It&rsquos used to power many engines &mdash not only in cars and trucks but also to power some industrial motors &mdash that don&rsquot rely on spark plugs to ignite the fuel.

engenheiro Uma pessoa que usa a ciência para resolver problemas. Como verbo, projetar significa projetar um dispositivo, material ou processo que resolverá algum problema ou necessidade não atendida.

environmental science The study of ecosystems to help identify environmental problems and possible solutions. Environmental science can bring together many fields including physics, chemistry, biology and oceanography to understand how ecosystems function and how humans can coexist with them in harmony. People who work in this field are known as environmental scientists.

evaporar To turn from liquid into vapor.

escape (in engineering) The gases and fine particles emitted &mdash often at high speed and/or pressure &mdash by combustion (burning) or by the heating of air. Exhaust gases are usually a form of waste.

fine particulates See particulates.

combustível fóssil Qualquer combustível & mdash como carvão, petróleo (petróleo bruto) ou gás natural & mdash que se desenvolveu na Terra ao longo de milhões de anos a partir de restos de bactérias, plantas ou animais em decomposição.

óxidos de nitrogênio Pollutants made up of nitrogen and oxygen that form when fossil fuels are burned. The scientific symbol for these chemicals is NOx (pronounced &ldquoknocks&rdquo). The principle ones are nitric oxide (NO) and nitrous oxide (NO2).

orgânico (in chemistry) An adjective that indicates something is carbon-containing a term that relates to the chemicals that make up living organisms.

óxido A compound made by combining one or more elements with oxygen. Rust is an oxide so is water.

oxigênio Um gás que constitui cerca de 21 por cento da atmosfera da Terra. Todos os animais e muitos microrganismos precisam de oxigênio para alimentar seu crescimento (e metabolismo).

ozônio A colorless gas that forms high in the atmosphere and at ground level. When it forms at Earth&rsquos surface, ozone is a pollutant that irritates eyes and lungs. It is also a major ingredient of smog.

particulate A tiny bit of something. A term used by pollution scientists to refer to extremely tiny solid particles and liquid droplets in air that can be inhaled into the lungs. So-called coarse particulates are those with a diameter that is 10 micrometers or smaller. Fine particulates have a diameter no bigger than 2.5 micrometers (or 2,500 nanometers). Ultra-fine particulates tend to have a diameter of 0.1 micrometer (100 nanometers) or less. The smaller the particulate, the more easily it can be inhaled deeply into the lungs. Ultra-fine particulates may be small enough to pass through cell walls and into the blood, where they can then move throughout the body.

petróleo Uma espessa mistura de hidrocarbonetos líquidos inflamáveis. O petróleo é um combustível fóssil encontrado principalmente abaixo da superfície da Terra. É a fonte dos produtos químicos usados ​​para fazer gasolina, óleos lubrificantes, plásticos e muitos outros produtos.

pollutant A substance that taints something &mdash such as the air, water, our bodies or products. Some pollutants are chemicals, such as pesticides. Others may be radiation, including excess heat or light. Even weeds and other invasive species can be considered a type of biological pollution.

poluição A kind of pollution that develops when chemicals react in the air. The word comes from a blend of &ldquosmoke&rdquo and &ldquofog,&rdquo and was coined to describe pollution from burning fossil fuels on cold, damp days. Another kind of smog, which usually looks brown, develops when pollutants from cars react with sunlight in the atmosphere on hot days.

ultravioleta A portion of the light spectrum that is close to violet but invisible to the human eye.

urbano Of or related to cities, especially densely populated ones or regions where lots of traffic and industrial activity occurs. The development or buildup of urban areas is a phenomenon known as urbanization.

volatile organic compounds (VOCs) Certain solid and liquid chemicals that evaporate (become gases), often at room temperature or lower. Many of these chemicals can be harmful if inhaled or allowed to move through the skin. Concentrations of these chemicals tend to be higher indoors than out. Sources of VOCs include numerous household products, such as paints, varnishes, waxes, oil-dissolving solvents, cleansers, disinfecting, cosmetics, degreasers and glues. Many fuels also release VOCs.


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