用于灌溉的石油和天然氣廢水可能會抑制植物的免疫系統(tǒng)

一項新的計算分析表明，最大化游泳速度，同時最大程度地降低能源成本，取決于魚的肌肉動力與其大小，形狀和游泳運動影響其在水中運動的方式之間的最佳平衡。麻省理工學院的Grgur Tokic和Dick Yue在PLOS計算生物學中介紹了這些發(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現(xiàn)高速航行。最近對游泳過程中能量消耗的許多見解來自對魚類肌肉生物力學的理解或對游泳流體力學建模的進步-魚類如何根據(jù)其大小，形狀和游泳運動在水中運動。但是，很少有研究將兩者結合起來。

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)學模型，該模型將肌肉生物力學與游泳流體力學相結合。他們使用該模型對游泳過程中的能量消耗進行了廣泛的分析-從提供給肌肉的能量開始，跟蹤該能量如何轉換為有用的水動力推進器。

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算的。為了達到最大游泳速度，魚肉無需以最大功率進行操作。這些發(fā)現(xiàn)得到了對九個數(shù)量級大小的游泳生物的真實觀察。

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

雖然這項研究模擬了理想化的模型生物，但研究人員希望能夠對真實的魚類(例如金槍魚或鮭魚)的游泳能量學建模。這項工作的潛在實際應用可能包括開發(fā)具有前所未有效率的人造仿生游泳設備。

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

高利潤的做法付出了高昂的代價：每桶石油，石油和天然氣開采還會產(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，政策制定者和科學家都在尋找處理該廢水的新策略。考慮到西方國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。

科羅拉多州立大學的一項新研究使這一想法停頓了下來。由土壤和作物科學系的托馬斯·博爾奇教授帶領的小組進行了溫室研究，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)境科學與技術信件，表明這些作物削弱免疫系統(tǒng)，導致無論是使用這樣的污水進行灌溉會離開作物系統(tǒng)更容易受到細菌和真菌病原體的問題。

“最大的問題是，它安全嗎?” 生物化學家博爾奇說，他曾在化學系和土木與環(huán)境工程系擔任聯(lián)合學術任命。“在進行此操作之前，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)從鉆探場運走，并通過深處的處置井重新注入地球。有記錄表明，這種做法會引起地震，并可能導致地表水和地下水含水層受到污染。

使用這種水進行灌溉的想法促使人們進行研究，以測試作物產(chǎn)量，土壤健康和植物吸收污染物的情況，特別是因為采出水通常含鹽量很高，并且其化學成分隨地區(qū)的不同而有很大差異。進行了許多與石油和天然氣有關的研究，包括意外泄漏期間土壤如何運轉的博爾奇想知道是否有人試圖確定灌溉水質是否會影響農(nóng)作物自發(fā)防御疾病的固有能力。

該實驗是與植物微生物學專家Pankaj Trivedi，科羅拉多州礦業(yè)學院的研究人員Pankaj Trivedi合作進行的，該專家是生物農(nóng)業(yè)科學和害蟲管理系的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菌和真菌病原體中，并在病原體被確認具有牢固性后對葉片進行采樣。

利用最先進的定量遺傳測序技術，科學家們確定，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與免疫力下降有關。但是他們假設，諸如硼，石油碳氫化合物和鹽之類的污染物的組合會導致植物重新分配代謝資源以應對壓力，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，必須評估植物免疫反應的影響。”