用于灌溉的石油和天然氣廢水可能會(huì)抑制植物的免疫系統(tǒng)

一項(xiàng)新的計(jì)算分析表明，最大化游泳速度，同時(shí)最大程度地降低能源成本，取決于魚的肌肉動(dòng)力與其大小，形狀和游泳運(yùn)動(dòng)影響其在水中運(yùn)動(dòng)的方式之間的最佳平衡。麻省理工學(xué)院的Grgur Tokic和Dick Yue在PLOS計(jì)算生物學(xué)中介紹了這些發(fā)現(xiàn)。

魚和其他生物(例如鮭魚和海豚)以起伏的方式游泳，從而能夠以較低的能源成本實(shí)現(xiàn)高速航行。最近對(duì)游泳過程中能量消耗的許多見解來自對(duì)魚類肌肉生物力學(xué)的理解或?qū)τ斡玖黧w力學(xué)建模的進(jìn)步-魚類如何根據(jù)其大小，形狀和游泳運(yùn)動(dòng)在水中運(yùn)動(dòng)。但是，很少有研究將兩者結(jié)合起來。

為了獲得更完整的圖像，Tokic和Yue使用了他們先前開發(fā)的數(shù)學(xué)模型，該模型將肌肉生物力學(xué)與游泳流體力學(xué)相結(jié)合。他們使用該模型對(duì)游泳過程中的能量消耗進(jìn)行了廣泛的分析-從提供給肌肉的能量開始，跟蹤該能量如何轉(zhuǎn)換為有用的水動(dòng)力推進(jìn)器。

與以前的研究相比，新的分析表明，為了最大程度地減少給定體重的魚在給定距離內(nèi)游泳的能量消耗，它不必以最大效率游泳，該效率是由肌肉產(chǎn)生的能量與消耗的能量來計(jì)算的。為了達(dá)到最大游泳速度，魚肉無需以最大功率進(jìn)行操作。這些發(fā)現(xiàn)得到了對(duì)九個(gè)數(shù)量級(jí)大小的游泳生物的真實(shí)觀察。

岳說：“我們的發(fā)現(xiàn)是令人驚訝的，但被基礎(chǔ)物理學(xué)的第一原理證實(shí)了。” “他們認(rèn)為，通過優(yōu)化肌肉性能和水動(dòng)力之間的平衡，可以顯著提高游泳的精力。”

雖然這項(xiàng)研究模擬了理想化的模型生物，但研究人員希望能夠?qū)φ鎸?shí)的魚類(例如金槍魚或鮭魚)的游泳能量學(xué)建模。這項(xiàng)工作的潛在實(shí)際應(yīng)用可能包括開發(fā)具有前所未有效率的人造仿生游泳設(shè)備。

稱為水力壓裂的水平鉆井方法幫助美國(guó)每年生產(chǎn)近40億桶石油和天然氣，使美國(guó)躍居世界產(chǎn)油大國(guó)之首。

高利潤(rùn)的做法付出了高昂的代價(jià)：每桶石油，石油和天然氣開采還會(huì)產(chǎn)生約7桶廢水，其中主要包括與化石燃料一起開采的天然地下水。每天大約有20億加侖的廢水。公司，政策制定者和科學(xué)家都在尋找處理該廢水的新策略?？紤]到西方國(guó)家的水資源短缺問題，最誘人的想法是將其回收以灌溉糧食作物。

科羅拉多州立大學(xué)的一項(xiàng)新研究使這一想法停頓了下來。由土壤和作物科學(xué)系的托馬斯·博爾奇教授帶領(lǐng)的小組進(jìn)行了溫室研究，利用油氣提取產(chǎn)生的水灌溉普通小麥。他們的研究發(fā)表在環(huán)境科學(xué)與技術(shù)信件，表明這些作物削弱免疫系統(tǒng)，導(dǎo)致無論是使用這樣的污水進(jìn)行灌溉會(huì)離開作物系統(tǒng)更容易受到細(xì)菌和真菌病原體的問題。

“最大的問題是，它安全嗎?” 生物化學(xué)家博爾奇說，他曾在化學(xué)系和土木與環(huán)境工程系擔(dān)任聯(lián)合學(xué)術(shù)任命。“在進(jìn)行此操作之前，我們是否已考慮過需要考慮的每件事?”

通常，將石油和天然氣廢水(也稱為采出水)從鉆探場(chǎng)運(yùn)走，并通過深處的處置井重新注入地球。有記錄表明，這種做法會(huì)引起地震，并可能導(dǎo)致地表水和地下水含水層受到污染。

使用這種水進(jìn)行灌溉的想法促使人們進(jìn)行研究，以測(cè)試作物產(chǎn)量，土壤健康和植物吸收污染物的情況，特別是因?yàn)椴沙鏊ǔ：}量很高，并且其化學(xué)成分隨地區(qū)的不同而有很大差異。進(jìn)行了許多與石油和天然氣有關(guān)的研究，包括意外泄漏期間土壤如何運(yùn)轉(zhuǎn)的博爾奇想知道是否有人試圖確定灌溉水質(zhì)是否會(huì)影響農(nóng)作物自發(fā)防御疾病的固有能力。

該實(shí)驗(yàn)是與植物微生物學(xué)專家Pankaj Trivedi，科羅拉多州礦業(yè)學(xué)院的研究人員Pankaj Trivedi合作進(jìn)行的，該專家是生物農(nóng)業(yè)科學(xué)和害蟲管理系的CSU助理教授。該小組用自來水，兩種稀釋??的采出水和鹽水控制灌溉小麥。他們將植物暴露于常見的細(xì)菌和真菌病原體中，并在病原體被確認(rèn)具有牢固性后對(duì)葉片進(jìn)行采樣。

利用最先進(jìn)的定量遺傳測(cè)序技術(shù)，科學(xué)家們確定，以最高濃度的采出水澆灌的植物在植物通常用于抵抗感染的基因表達(dá)上有重大變化。他們的研究并未確切確定采出水中的哪些物質(zhì)與免疫力下降有關(guān)。但是他們假設(shè)，諸如硼，石油碳?xì)浠衔锖望}之類的污染物的組合會(huì)導(dǎo)致植物重新分配代謝資源以應(yīng)對(duì)壓力，這使植物產(chǎn)生抗病基因的難度更大。

研究作者寫道：“這項(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)表明，在將處理過的油氣廢水再用于農(nóng)業(yè)灌溉之前，必須評(píng)估植物免疫反應(yīng)的影響。”