Нещодавно дослідники виявили дві природні бактерії, здатні розщеплювати хлоровані «вічні хімікати», також відомі як PFAS.

Вчені, які спеціалізуються на хімічній та екологічній інженерії з Каліфорнійського університету в Ріверсайді, виявили два типи бактерій у ґрунті, здатних руйнувати клас стійких «вічних хімікатів», що дає надію на недороге біологічне очищення промислових забруднювачів.

Доцент Юджі Мен та її команда з Інженерного коледжу Борнса виявили, що ці бактерії здатні знищувати певну підгрупу пер- та поліфторалкільних речовин, відомих як PFAS, особливо тих, які містять один або більше атомів хлору в своїй хімічній структурі. Їхні висновки були опубліковані в науковому журналі Nature Water .

Нездорові хімічні речовини назавжди зберігаються в навколишньому середовищі десятиліттями або набагато довше через їхні надзвичайно міцні зв’язки вуглець-фтор. Примітно, що команда UCR виявила, що бактерії розщеплюють зв’язки хлор-вуглець забруднювача, що запускає ланцюг реакцій, які назавжди руйнують хімічні структури, роблячи їх нешкідливими.

Каліфорнійський університет, Ріверсайд, доцент Юлі Мен і аспірант Джосен Джин. Авторство: фотографія UCR Січжуо Чжана

«Ми виявили, що бактерії можуть спочатку розщеплювати зв’язок вуглець-хлор, утворюючи нестабільні проміжні продукти», — сказав Мен. «І тоді ці нестабільні проміжні продукти піддаються спонтанному дефторуванню, яке є розщепленням зв’язку вуглець-фтор».

Хлоровані PFAS є великою групою у вічній хімічній родині тисяч сполук. Вони включають різноманітні незаймисті гідравлічні рідини, що використовуються в промисловості, і сполуки, що використовуються для виготовлення хімічно стійких плівок, які служать бар’єрами для вологи в різних промислових, пакувальних та електронних застосуваннях.

Два види бактерій – Desulfovibrio aminophilus і Sporomusa sphaeroides – визначені групою Men, зустрічаються в природі та, як відомо, мешкають у підземних мікробіомах, де ґрунтові води можуть бути забруднені PFAS. Для прискореного очищення недорогу живильну речовину, таку як метанол, можна вводити в ґрунтові води, щоб сприяти росту бактерій. Це значно збільшить присутність бактерій для більш ефективного знищення забруднюючих речовин, сказав Мен. Якщо бактерії ще не присутні, забруднену воду можна засіяти одним із видів бактерій.

Концептуальне зображення процесу біологічного очищення. Авторство зображення: графіка UCR Евана Філдса

Мен є відповідальним автором статті, а Босен Джин, аспірант хімічної та екологічної інженерії UCR, є провідним автором. Іншими співавторами UCR є постдок Джіню Гао; колишній постдоктор Huaqing Liu; колишні аспіранти Шунь Че та Яочунь Юй; та доцент Джіньйонг Лю.

Дослідження розширює попередню роботу Мен, в якій вона продемонструвала, що мікроби можуть розщепити стійкий клас PFAS, який називається фторованими карбоновими кислотами.

Мікроби вже давно використовуються для біологічного очищення розливів нафти та інших промислових забруднювачів, включаючи промисловий розчинник трихлоретилен або ТХЕ, який вивчав Мен.

Але те, що відомо про використання мікроорганізмів для очищення PFAS, все ще знаходиться в зародковому стані, сказав Мен. Її відкриття багатообіцяюче, оскільки біологічне лікування, якщо доступні ефективні мікроби, що поїдають забруднюючі речовини, як правило, дешевше та екологічніше, ніж хімічне лікування. Мікроби, що харчуються забруднювачами, також можуть бути введені у важкодоступні місця під землею.

Останнє дослідження Men’s PFAS з’явилося в той момент, коли Агентство з охорони навколишнього середовища США оприлюднює нові правила для стимулювання очищення забруднених PFAS ділянок ґрунтових вод по всій країні, оскільки ці хімікати пов’язані з безліччю шкідливих наслідків для здоров’я, включаючи рак, захворювання нирок і гормональні збої. Джерело

Дослідник із Нотр-Даму радить відійти від хвилювання та дослідити, як віртуальна реальність може підвищити ефективність вчених. Однак, щоб використати ці переваги, дослідникам потрібно ретельно виробити стратегію та уникнути можливих недоліків.

У 2021 році Facebook висунув термін «метавсесвіт» на передній план інтернет-дискурсу, перейменувавши себе на Meta та оголосивши про план побудови «набору взаємопов’язаних цифрових просторів, які дозволяють робити те, що ви не можете робити у фізичному світі». Відтоді метавсесвіт стали називати по-різному. Деякі люди вважають це «майбутнім Інтернету», а інші відкидають це як «аморфну ​​концепцію, яка нікому насправді не потрібна».

Для Дієго Гомес-Зара, доцента кафедри комп’ютерних наук та інженерії Університету Нотр-Дам , метавсесвіт — це щось інше: інструмент для кращої науки.

У статті, нещодавно опублікованій у  Nature Human Behavior,  Гомес-Зара стверджує, що вчені повинні використовувати переваги метавсесвіту для досліджень, а також захищатися від потенційних небезпек, пов’язаних з роботою у віртуальній реальності.

Віртуальне середовище, реальні переваги

Разом із співавторами Пітером Шиффером (кафедра прикладної фізики та кафедра фізики Єльського університету) та Дашуном Вангом (інженерна школа Маккорміка Північно-західного університету ) Гомес-Зара визначає метавсесвіт як віртуальний простір, де користувачі можуть взаємодіяти в тривимірному середовищі та виконувати дії, які впливають на зовнішній світ.

Дослідники кажуть, що метавсесвіт принесе користь науці чотирма основними способами.

По-перше, це може усунути бар’єри та зробити науку доступнішою. Щоб зрозуміти ці можливості, говорить Гомес-Сара, нам не потрібно міркувати про віддалене майбутнє. Натомість ми можемо вказати на те, як дослідники вже почали використовувати віртуальні середовища у своїй роботі.

Наприклад, у Фармацевтичній школі Університетського коледжу Лондона вчені зробили цифрову копію своєї лабораторії, яку можна відвідати у віртуальній реальності. Ця цифрова копія дозволяє вченим у різних точках світу зустрічатися, співпрацювати та спільно приймати рішення про те, як просувати дослідницький проект.

Подібним чином тренінг у віртуальній лабораторії, розроблений Центрами з контролю та профілактики захворювань, навчає молодих вчених у багатьох різних місцях ідентифікувати частини лабораторії та навіть виконувати процедури в надзвичайних ситуаціях.

Цей приклад демонструє другу перевагу: покращення викладання та навчання.

Гомес-Зара пояснює: «Для людини, яка навчається на хірурга, дуже важко виконати процедуру вперше без будь-яких помилок. А якщо ви працюєте з реальним пацієнтом, помилка може бути дуже шкідливою. Експериментальне навчання у віртуальному середовищі може допомогти вам спробувати щось і зробити помилки без шкідливих наслідків, а свобода від шкідливих наслідків може також покращити дослідження в інших сферах».

Гомес-Зара також працює з командою Лабораторії віртуальної реальності Нотр-Дам, щоб зрозуміти третю потенційну користь, пов’язану з соціальною стороною науки. Дослідницька група вивчає вплив онлайн-середовища на робочі процеси команди. Вони виявили, що віртуальні середовища можуть допомогти командам співпрацювати ефективніше, ніж відеоконференції.

«Після пандемії ми всі навчилися проводити відеоконференції», — каже Гомес-Зара. «Але це не означає, що відеодзвінок є найефективнішим інструментом для вирішення кожного завдання. Особливо для інтенсивної соціальної діяльності, як-от формування команди та інновації, віртуальна реальність є набагато ближчою копією того, що ми мали б у офлайні, і може виявитися набагато ефективнішою».

Гомес-Зара каже, що метавсесвіт також можна використовувати для створення абсолютно нових експериментальних середовищ.

«Якщо ви можете отримати дані та зображення звідкись, ви можете створити віртуальну копію цього місця у віртуальній реальності», — пояснює Гомес-Зара. Наприклад, каже він, ми маємо зображення Марса , зроблені супутниками та роботами. «Це можна використати для створення версії віртуальної реальності середовища, де вчені зможуть відчути, як воно там виглядає. Згодом вони могли навіть взаємодіяти з навколишнім середовищем на відстані».

Потенційні підводні камені

Гомес-Зара наголошує, що для усвідомлення всіх переваг метавсесвіту нам також знадобиться уникнути кількох пов’язаних з нею пасток.

Досі існують перешкоди для використання віртуальної реальності. Окуляри віртуальної реальності та відповідне обладнання стають доступнішими, але потребують значних інвестицій.

Ця проблема стосується більшої: кому належить метавсесвіт? Наразі кілька технологічних компаній контролюють метавсесвіт, але Гомес-Зара зазначає, що були заклики до агенцій та інших осіб, які підтримують дослідження, інвестувати у створення відкритого публічного метавсесвіту. Тим часом, каже він, для дослідників важливо думати над питаннями власності та конфіденційності кожного разу, коли вони працюють у метавсесвіті.

Однак його загальне послання вселяє надію. «Ми все ще схильні асоціювати метавсесвіт із розвагами та невимушеним спілкуванням. Через це його дуже легко звільнити», – каже він. «Але подивіться, як швидко ми всі адаптувалися до технологій, якими рідко користувалися до пандемії. Так само може бути і з метавсесвітом. Нам потрібна дослідницька спільнота, щоб дослідити це. Це найкращий спосіб спланувати ризики, а також усвідомити всі можливості». Джерело

Залиште це в розділі «Цього не повинно відбуватися!»: вчені спостерігали процес загоєння металу, чого раніше не бачили. Якщо цей процес можна повністю зрозуміти та контролювати, ми можемо стати початком абсолютно нової ери інженерії.

Команда з національних лабораторій Sandia та Техаського університету A&M перевіряла стійкість металу, використовуючи спеціальну техніку трансмісійного електронного мікроскопа, щоб потягнути за кінці металу 200 разів кожну секунду. Потім вони спостерігали самовідновлення в надмалих масштабах у шматку платини товщиною 40 нанометрів, підвішеному у вакуумі.

Тріщини, спричинені деформацією, описаною вище, відомі як втомне пошкодження: повторювані напруги та рухи, які спричиняють мікроскопічні розриви, що зрештою спричиняє руйнування машин або конструкцій. Дивовижно, але приблизно через 40 хвилин спостереження тріщина в платині почала знову з’єднуватися і виправлятися, перш ніж почати знову в іншому напрямку.

«Це було просто приголомшливо спостерігати з перших вуст», — каже дослідник матеріалів Бред Бойс із національних лабораторій Сандіа. «Ми точно цього не шукали».

«Ми підтвердили, що метали мають власну внутрішню природну здатність самовідновлюватися, принаймні у випадку втомного пошкодження на нанорозмірі».

Це точні умови, і ми ще не знаємо точно, як це відбувається або як ми можемо цим скористатися. Однак, якщо ви подумаєте про витрати та зусилля, необхідні для ремонту всього, від мостів до двигунів і телефонів, неможливо сказати, яку різницю можуть зробити метали, що самовідновлюються.

І хоча це спостереження є безпрецедентним, воно не зовсім несподіване. У 2013 році вчений з матеріалів Техаського університету A&M Майкл Демкович працював над дослідженням, яке передбачало, що такий вид загоєння нанотріщин може відбуватися через те, що крихітні кристалічні зерна всередині металів фактично зміщують свої межі у відповідь на навантаження.

Демкович також працював над цим останнім дослідженням, використовуючи оновлені комп’ютерні моделі, щоб показати, що його теорії десятирічної давності про самовідновлення металу в нанорозмірі відповідають тому, що відбувається тут.

Те, що процес автоматичного ремонту відбувався при кімнатній температурі, є ще одним перспективним аспектом дослідження. Зазвичай металу потрібно багато тепла, щоб змінити його форму, але експеримент проводився у вакуумі; ще невідомо, чи відбудеться той самий процес у звичайних металах у типовому середовищі.

Можливе пояснення полягає в процесі, відомому як холодне зварювання, який відбувається за температури навколишнього середовища щоразу, коли металеві поверхні наближаються досить близько одна до одної, щоб їхні відповідні атоми сплуталися. Як правило, процесу заважають тонкі шари повітря або забруднення; у таких середовищах, як космічний вакуум, чисті метали можуть бути притиснуті досить близько один до одного, щоб буквально злипнутися.

«Я сподіваюся, що це відкриття спонукає дослідників матеріалів вважати, що за правильних обставин матеріали можуть робити те, чого ми ніколи не очікували», — каже Демкович. Дослідження опубліковано в Nature.

Нові дослідження показують, що стародавні мікроорганізми допомогли спричинити масштабні вулканічні події.

Смугасті залізні утворення, осадові породи з приголомшливими шарами випаленого помаранчевого, жовтого, сріблястого, коричневого та блакитно-чорного відтінків, можливо, були каталізатором деяких з найбільших вивержень вулканів Землі в історії, показує недавнє дослідження Університету Райса.

Ці породи складаються з оксидів заліза, які багато років тому занурилися на дно океану, з часом застигаючи в щільні шари. Нещодавно опубліковане дослідження в Nature Geoscience припускає, що ці багаті залізом шари можуть служити мостом, що зв’язує стародавні зміни поверхні, такі як поява фотосинтетичного життя, з такими планетарними процесами, як вулканізм і тектоніка плит.

На додаток до зв’язку планетарних процесів, які зазвичай вважалися непов’язаними, дослідження може змінити розуміння вченими ранньої історії Землі та дати розуміння процесів, які можуть створити придатні для життя екзопланети далеко від нашої Сонячної системи.

«Ці камені розповідають — буквально — історію змін планетарного середовища», — сказав Дункан Келлер, провідний автор дослідження та докторський науковий співробітник Департаменту Землі, навколишнього середовища та планетарних наук Райса. «Вони втілюють зміни в хімічному складі атмосфери та океану».

Дункан Келлер є постдокторантом Департаменту Землі, навколишнього середовища та планетарних наук Райса та провідним автором дослідження, опублікованого в Nature Geoscience. Авторство: Джефф Фітлоу/Університет Райса

Смугасті залізисті утворення — це хімічні відкладення, що випали безпосередньо з давньої морської води, багатої на розчинене залізо. Вважається , що метаболічні дії мікроорганізмів, включаючи фотосинтез , сприяли осадженню мінералів, які з часом утворювали шар за шаром разом із кремнієм (мікрокристалічним діоксидом кремнію). Найбільші поклади утворилися в результаті накопичення кисню в атмосфері Землі близько 2,5 мільярдів років тому.

«Ці породи утворилися в стародавніх океанах, і ми знаємо, що ці океани пізніше були закриті з боків тектонічними процесами плит», — пояснив Келлер.

Мантія, хоч і тверда, тече, як рідина, приблизно з такою швидкістю, як ростуть нігті. Тектонічні плити — ділянки земної кори та верхньої частини мантії розміром із континент — постійно рухаються, в основному внаслідок теплових конвекційних потоків у мантії. Тектонічні процеси Землі контролюють життєві цикли океанів.

«Так само, як Тихий океан сьогодні закривається — він занурюється під Японію та Південну Америку — стародавні океанські басейни були зруйновані тектонічно», — сказав він. «Ці породи або виштовхнули на континенти та зберегли — і ми бачимо, що деякі збереглися, ось звідки походять ті, на які ми дивимося сьогодні — або занурилися в мантію».

«Ми розглянули вік осадження смугастих залізних утворень і вік великих базальтових вивержень, які називаються великими магматичними провінціями, і виявили, що існує кореляція», — сказав Келлер. «Багатьом виверженим подіям — які були настільки масовими, що 10 або 15 найбільших, можливо, було достатньо, щоб відродити всю планету — передувало смугасте відкладення заліза з інтервалом приблизно в 241 мільйон років, плюс-мінус 15 мільйонів. Це сильна кореляція з механізмом, який має сенс».

Дослідження показало, що існує певний проміжок часу для того, щоб смугасті утворення заліза спочатку втягувалися глибоко в нижню мантію, а потім впливали на тепловий потік, щоб рухати шлейф до поверхні Землі на тисячі кілометрів вище.

Намагаючись простежити шлях смугастих залізних утворень, Келлер перетнув межі дисципліни та натрапив на несподівані ідеї. Джерело