На полигонах боевой стрельбы военнослужащие тренируются в стрельбе из артиллерийских орудий, сбрасывают бомбы на старые танки или заброшенные здания и проверяют возможности нового оружия.
Но эти взрывчатые вещества и боеприпасы оставляют после себя токсичные соединения, которые загрязнили миллионы акров военных баз США, при этом предполагаемый счет за очистку составляет от 16 до 165 миллиардов долларов.
В статье, опубликованной 16 ноября в журнале Plant Biotechnology Journal, исследователи Вашингтонского и Йоркского университетов описывают новые виды трансгенных трав, которые могут нейтрализовать и уничтожать гексоген - токсичное соединение, которое широко используется во взрывчатых веществах со времен Вторая война.
Инженеры UW внедрили два гена бактерий, которые научились поедать гексоген и расщеплять его на безвредные компоненты в двух видах многолетних трав: просо обыкновенном (Panicum virgatum) и полевице ползучей (Agrostis stolonifera). Лучшие штаммы удалили весь гексоген из моделируемой почвы, в которой они выращивались, менее чем за две недели, и они не сохранили ни одного токсичного химического вещества в своих листьях или стеблях..
Это первая демонстрация генетических трансформаций трав, позволяющих усилить их способность удалять загрязнения из окружающей среды. Травы - это крепкие, быстрорастущие растения, не требующие особого ухода, которые предлагают практические преимущества по сравнению с другими видами в реальных ситуациях уборки.
«Это устойчивый и доступный способ удаления и уничтожения загрязняющих веществ на этих полигонах», - сказал старший автор и профессор гражданской и экологической инженерии Университета Вашингтона Стюарт Стрэнд, чья лаборатория занимается извлечением генов из микроорганизмов и животных, которые способны разлагать токсичные соединения и превращать их в полезные растения.
Травы можно сажать на тренировочных полигонах, они растут сами по себе и практически не требуют ухода. Когда токсичные частицы боеприпасов приземляются в целевой области, их корни поглощают гексоген и разлагают его. до того, как он достигнет грунтовых вод», - сказал Стрэнд.
гексоген представляет собой органическое соединение, составляющее основу многих распространенных военных взрывчатых веществ, которые могут сохраняться в окружающей среде в неразорвавшихся или частично взорвавшихся боеприпасах. Было показано, что в достаточно больших дозах он вызывает судороги и повреждение органов, и в настоящее время он внесен в список Агентства по регистрации токсичных веществ и заболеваний как потенциальный канцероген для человека..
В отличие от других компонентов токсичных взрывчатых веществ, таких как тротил, который связывается с почвой и имеет тенденцию оставаться на месте, гексоген легко растворяется в воде и более склонен к распространению загрязнения за пределы военного полигона, производственного предприятия или поля боя.
«Частицы рассеиваются, а затем идет дождь», - сказал Стрэнд. «Затем гексоген растворяется в дождевой воде по мере того, как проходит через почву и попадает в грунтовые воды. А в некоторых случаях он стекает с основания и попадает в колодцы с питьевой водой».
Дикие травы действительно удаляют загрязнение гексогеном из почвы, когда они всасывают воду через свои корни, но они не разрушают ее значительно. Поэтому, когда травы умирают, ядовитое химическое вещество снова попадает в ландшафт.
Соавторы Нил Брюс и Лиз Рилотт, профессор биотехнологии и научный сотрудник Йоркского университета, и их коллеги ранее выделили ферменты, обнаруженные в бактериях, которые эволюционировали, чтобы использовать азот, содержащийся в гексогене, в качестве источника пищи. Этот процесс пищеварения имеет дополнительное преимущество, заключающееся в расщеплении токсичного соединения гексогена до безвредных компонентов.
Сами по себе бактерии не являются идеальным средством очистки, потому что им требуются другие источники пищи, которые не всегда присутствуют на военных полигонах. Поэтому Брюс и Рилотт попытались внедрить бактериальные гены в виды растений, обычно используемые в лабораторных условиях. Эти эксперименты доказали, что новые штаммы растений способны удалять загрязнение гексогеном гораздо успешнее, чем их дикие аналоги.
«Учитывая масштабы загрязнения взрывчатыми веществами во всем мире, заводы являются единственным недорогим и устойчивым решением для очистки этих загрязненных участков», - сказал Брюс.
Команда инженеров-строителей и инженеров-экологов UW провела восемь лет, работая над экспрессией одних и тех же генов в видах растений, которые можно было бы использовать в реальных условиях. Им нужен был крепкий многолетний вид, который отрастал год за годом и имел сильную корневую систему, способную восстанавливаться после пожаров.
Травы подходят под эти требования, но с ними сложнее генетически манипулировать. В частности, инженерам Университета Вашингтона пришлось встроить в свои генные конструкции надежные «промоторы» однодольных растений - или участки ДНК, вызывающие экспрессию определенного гена, - чтобы этот процесс работал у видов трав..
"Для очистки загрязненных почв лучше всего подходят травы, но их определенно не так просто трансформировать, тем более что гибкие системы для экспрессии нескольких генов в травах ранее не использовались", - сказал первый автор и исполняющий обязанности UW. инструктор Лун Чжан.
Исследовательская группа также обнаружила еще одно неожиданное дополнительное преимущество: поскольку генетически модифицированные травы используют гексоген в качестве источника азота, они на самом деле растут быстрее, чем дикорастущие виды трав.
Следующие шаги исследовательской группы UW включают ограниченные полевые испытания на военном полигоне, чтобы проверить, как штаммы работают в различных условиях. Более широкое использование потребует одобрения Министерства сельского хозяйства США, чтобы гарантировать, что генетические модификации не представляют угрозы для видов диких трав.
«Я думаю, что это было бы экологически приемлемо, потому что гены, которые мы внедрили, разлагают реальные загрязнители в окружающей среде и не причиняют вреда», - сказал Стрэнд. «С моей точки зрения, это полезная технология, полезная для окружающей среды и способная устранить опасное загрязнение, унаследованное от десятилетий военной деятельности».