در یک سایت فولادی قدیمی در پیتسبورگ، باکتری ها برای زنده ماندن و خوردن آلودگی های صنعتی تکامل یافتند.

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

در سرتاسر آپالاشیا و منطقه کمربند رست، از جمله در سراسر شهر پیتسبورگ، مکان‌های صنعتی سابق در حال تبدیل شدن به محله‌ها، مراکز تحقیقاتی و مراکز فناوری جدید هستند.

اما دگرگونی دیگری برای چندین دهه در زیر آنها در حال وقوع است.

براون فیلدها سایت های صنعتی یا تجاری سابق هستند. توسعه مجدد در آنجا می تواند با آلودگی پیچیده شود. آنها اغلب با آنچه در پشت سر گذاشته شده تعریف می شوند: کارخانه های متروکه، زمین های خالی و خاک آلوده به ترکیبات سرطان زا.

اما در زیر سطح، میدان های قهوه ای اکوسیستم های زنده باقی می مانند. میلیاردها میکروب در این خاک ها ساکن هستند. در پیتسبورگ، برخی دهه ها را صرف پاسخگویی و سازگاری با آلودگی های گذشته صنعتی شهر کرده اند.

من یک میکروبیولوژیست هستم که از طریق یک میدان قهوه ای عملا در حیاط خلوت خودم به این موضوع علاقه مند شدم. آزمایشگاه من در دانشگاه کارنگی ملون فقط 2 مایل (3 کیلومتر) از Hazelwood Green، یک سایت صنعتی 178 هکتاری (72 هکتاری) در حاشیه رودخانه پیتسبورگ در امتداد رودخانه Monongahela است.

برای بیش از یک قرن، این منطقه محل فعالیت‌های فولادسازی، از جمله شرکت فولاد جونز و لافلین بود.

تاریخ صنعتی پیتسبورگ نیز میراث شیمیایی از خود بر جای گذاشت. مانند بسیاری از سایت‌های صنعتی سابق، Hazelwood Green حاوی خاک‌های آلوده به هیدروکربن‌های نفتی، فلزات سنگین و سایر آلاینده‌ها بود که منجر به طبقه‌بندی آن به عنوان میدان قهوه‌ای شد. از جمله این آلاینده ها می توان به بنزن، تولوئن، اتیل بنزن و زایلن، گروهی از ترکیبات مشتق شده از نفت که در مجموع به نام BTEX شناخته می شود، اشاره کرد. این مواد شیمیایی می توانند برای انسان و سایر موجودات سمی باشند و برخی از آنها سرطان زا هستند.

در طول چند دهه گذشته، تلاش های قابل توجهی برای توسعه مجدد Hazelwood Green انجام شده است. سایت اصلاح شده اکنون مرکزی برای تحقیقات، فناوری و مشارکت جامعه است. این کار، از جمله اصلاح خاک آلوده سایت، یک سوال بیولوژیکی جالب را ایجاد می کند: برای میکروارگانیسم هایی که در این خاک ها زندگی می کردند در حالی که آلوده بودند، چه آمد؟ و آیا می‌توانیم از نحوه برخورد آنها با آن چیزی بیاموزیم تا توانایی ما در پاکسازی سایر مناطق قهوه‌ای را در آینده بهبود بخشیم؟

خاک دارای تنوع فوق العاده ای از میکروارگانیسم ها است. یک گرم می تواند حاوی میلیاردها سلول باکتری متعلق به هزاران گونه مختلف باشد.

هنگامی که آلاینده هایی مانند BTEX وارد آن محیط می شوند، میکروب ها با چالش زیست محیطی جدیدی روبرو می شوند. برای بسیاری از موجودات، آلاینده ممکن است سمی باشد. اگرچه برخی از میکروب ها ممکن است مسیرهای متابولیکی داشته باشند که به آنها اجازه می دهد آلاینده را تحمل کنند - یا حتی آن را به عنوان غذا مصرف کنند. این به آنها برتری نسبت به سایر باکتری ها در همان محل می دهد.

با گذشت زمان، آلودگی به این میکروب ها فشار می آورد تا سازگار شوند. باکتری هایی که می توانند از آن زنده بمانند - یا حتی آن را تجزیه کنند - بیشتر رشد می کنند. و آنها می توانند این توانایی را به باکتری های دیگر، نه فقط به فرزندان خود، با به اشتراک گذاری مستقیم ژن ها منتقل کنند.

در Hazelwood Green، چندین دهه آلودگی صنعتی به طور تصادفی یک آزمایش بزرگ تکاملی را برای ما انجام داد.

آزمایشگاه من در گروه علوم زیستی دانشگاه کارنگی ملون می خواهد نتایج آن آزمایش طبیعی را درک کند. ما در حال جمع آوری خاک از مناطق Hazelwood Green با سطوح مختلف آلودگی تاریخی هستیم.

هسته‌های خاک - نمونه‌های استوانه‌ای از خاک که مستقیما از سطح حفر می‌شوند و لایه‌ها را در اعماق مختلف حفظ می‌کنند - به ما امکان می‌دهند تا جوامع میکروبی را در اعماق زیر سطح بررسی کنیم. ما DNA را از این نمونه‌ها استخراج می‌کنیم و از توالی‌یابی متاژنومیک استفاده می‌کنیم - تکنیکی که همه میکروارگانیسم‌های موجود در یک نمونه محیطی را مستقیما از DNA آن شناسایی می‌کند، نه اینکه یک ارگانیسم را در یک زمان رشد و مطالعه کند.

علاوه بر شناسایی میکروب‌ها، می‌خواهیم بدانیم آنها چه کاری می‌توانند انجام دهند. یک هدف شناسایی ژن های باکتریایی مرتبط با تخریب BTEX و سایر هیدروکربن ها است.

ما چندین دهه سابقه آلودگی تاریخی را بر روی سایت مدرن ترسیم کرده‌ایم، سپس فراوانی میکروبی را در مکان‌ها و اعماق مقایسه کرده‌ایم تا ببینیم آیا آلودگی گذشته نشانه‌ای ماندگار در این جوامع در Hazelwood Green باقی گذاشته است یا خیر.

توالی‌یابی DNA به ما کمک می‌کند تا بفهمیم میکروب‌ها می‌توانند چه کاری انجام دهند. اما ما آن پیش‌بینی‌ها را نیز مستقیما آزمایش می‌کنیم. ما باکتری ها را از Hazelwood Green و دیگر سایت های پیتسبورگ جدا می کنیم، سپس می بینیم که آیا آنها می توانند از آلاینده های فردی به عنوان غذا استفاده کنند یا خیر.

آزمایش اصلی - صفحه نمایش برای باکتری های تجزیه کننده BTEX - ساده است. به طور معمول، باکتری ها در آزمایشگاه در محیط های غنی از مواد مغذی حاوی قندها، اسیدهای آمینه و سایر ترکیباتی که به راحتی می توانند مصرف کنند، رشد می کنند. درعوض، ما آنها را در محیطی حداقلی پرورش می دهیم که در آن منابع کربن را کنار می گذاریم. اکثر باکتری ها برای رشد به منبع کربن آلی، اساسا «غذای» خود نیاز دارند.

بنابراین ما یک آلاینده - بنزن، تولوئن، اتیل بنزن یا زایلن - به عنوان تنها منبع کربن در محیط اضافه می کنیم. اگر باکتری ها رشد کنند، این نشان می دهد که می توانند از آلاینده به عنوان غذا استفاده کنند. با این کار آن را از محیط خارج کرده و به پاکسازی خاک کمک می کنند.

یافتن آن ارگانیسم‌ها در یک زمان فرآیند کندی است، بنابراین ما با CMU's AI Science Foundry، یک آزمایشگاه روباتیک و خودکار واقع در میدان نانوایی، دیگر فیلد قهوه‌ای پیتسبورگ اصلاح‌شده، همکاری کرده‌ایم.

سیستم‌های رباتیک موجود در آنجا به ما اجازه می‌دهند هزاران گونه از باکتری‌ها را به طور همزمان بررسی کنیم و اندازه‌گیری کنیم که هر کدام چقدر آلاینده‌هایی مانند BTEX را تجزیه می‌کنند. در همین حال، ابزارهای منبع باز که ما در حال توسعه هستیم، مانند BTEXgenie، ژنوم باکتری ها را برای یافتن ژن هایی جستجو می کند که می تواند به آنها در کاهش آلودگی کمک کند.

این رویکرد ترتیب معمول کشف را تغییر می دهد. به جای مطالعه یک ارگانیسم در یک زمان و امیدواری مفید بودن آن، می‌توانیم هزاران ژنوم را ابتدا اسکن کنیم تا نامزدهای احتمالی را علامت‌گذاری کنیم – سپس تأیید کنیم که کدام یک واقعا در آزمایشگاه کار می‌کنند. هر دور آزمایش همچنین توانایی ما را برای پیش‌بینی عملکرد یک میکروب به تنهایی از روی DNA آن بهبود می‌بخشد، بنابراین هرچه بیشتر یاد می‌گیریم این فرآیند سریع‌تر می‌شود.

پاکسازی خاک آلوده دشوار و پرهزینه است. روش‌های رایج اصلاح - حفاری خاک آلوده یا دفن آن در زیر پر تمیز - می‌تواند زمین را برای توسعه مجدد بدون از بین بردن آلاینده‌ها ایمن کند. این بدان معنی است که ممکن است پس از آن نظارت طولانی مدت لازم باشد.

استفاده از میکروارگانیسم ها برای حذف آلاینده های محیطی مفهوم جدیدی نیست. زیست پالایی در حال حاضر برای نشت نفت و تصفیه فاضلاب استفاده می شود. در بسیاری از موارد، میکروب ها به طور طبیعی این آلاینده ها را در حین رشد تجزیه می کنند و آنها را به ترکیبات کمتر مضر تبدیل می کنند.

با این حال، زیست پالایی برای هر آلاینده یا هر مکان آلوده به یک اندازه خوب کار نمی کند. یکی از چالش‌های اصلی شناسایی میکروب‌هایی است که می‌توانند یک آلاینده خاص را تجزیه کنند، در حالی که در شرایط محیطی رشد می‌کنند که در آن آلودگی واقعا اتفاق می‌افتد. اینجاست که مطالعه میکروب هایی که قبلا در محیط های آلوده زندگی می کنند به ما مزیتی می دهد.

با شناسایی این میکروب‌های سازگار با طبیعت – و فهمیدن اینکه چگونه آلاینده‌ها را متابولیزه می‌کنند – ممکن است بتوانیم رویکردهای موجود برای پاکسازی زیستی را بهبود بخشیم.

از آنجایی که سایت‌های صنعتی سابق در سراسر پیتسبورگ و کمربند زنگ‌زده به قطب‌های جدیدی برای علم و فناوری تبدیل می‌شوند، شاید برخی از نوآوری‌های بیولوژیکی که ما به آن‌ها نیاز داریم همیشه در زیر آنها تکامل یافته باشند. ما تازه در حال کشف چیزهایی هستیم که آن میکروب ها آموخته اند.

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →

این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.