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NSF grant to fund research into ‘microcleaners’ for waterways

微塑料污染几乎可以在地球上的任何地方发现,而海洋生物学家日益关注的是,这些地方包括海洋和水道,它们是脆弱动植物的家园。

来自康奈尔大学和北卡州立大学的工程师提出了一个创造性的解决方案:一群游泳、自航生物材料被称为“microcleaners”,清除和捕获塑料computationally-engineered微生物可以分解的。

他们的项目得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)新兴前沿研究与创新项目(Emerging Frontiers in Research and Innovation program)的200万美元资助,将化学、生物学、环境毒理学、水文学、人工智能和计算机科学等专业知识结合起来。

微塑料——亚毫米大小的微小塑料颗粒——很容易通过废水处理设施,而且越来越多地进入海洋和其他地方。它们来自较大的塑料碎片,或者被制成用于皮肤清洁用品和牙膏等产品的微珠。这些微塑料对环境的影响还没有完全弄清楚,尽管生物学家已经发现了它们改变鸟类、鱼类和其他野生动物的捕食习惯的证据。

该研究小组的目标是设计几类廉价、无毒的微清洗剂,作为对付这个大问题的微型武器。康奈尔大学的研究重点将是设计一种能在水中自我推进、收集塑料微粒并浮到水面上的油滴,在那里它们可以被驳船或其他大型船只收集。这些液滴中含有的化合物会在油和水之间产生张力梯度,从而使它们有能力自我推进。

软质材料(如油滴)的界面是Nicholas Abbott的专长,他是史密斯化学和生物分子工程学院的Tisch大学教授,也是该项目的联合首席研究员。

阿博特说,收集微塑料面临的诸多挑战之一是,在微颗粒的世界中,它们相对较大,在水中扩散非常缓慢。

“你不能等着他们来抓你,”他说。“它们也存在于大量的水中。我们的计划是创建积极推进的微系统,基于生物可降解的液滴,寻找并捕捉塑料微粒。因为它们是自行推进的,所以它们可以搜索大量的水域。”

使微清洁剂工作的关键是了解他们要捕捉的微塑料的化学组成,这也是该项目的另一个目标。微清洁工必须能够识别各种各样的塑料化学物质,其中一些由于长时间暴露在阳光下而发生变化,或者主要由覆盖在表面的生物膜构成。

该研究小组将开发新的分析工具,以液晶传感器、人工智能和多肽(氨基酸链)的计算设计为基础,来表征微塑料的特性,这些多肽被设计用来识别和结合微塑料的表面。

这些多肽将由北卡罗莱纳州立大学利用康奈尔大学的Fengqi You, Roxanne e和Michael J. Zak教授开发的机器学习方法进行设计,他们是能源系统工程的联合首席研究员。你希望从雅培设计的新型液晶吸收微塑料产生的独特光学模式中学习。

You说:“我们正在采用一种独特的方法来开发有效的深度学习技术,以解释微塑料在液晶界面上吸附所产生的时空光学信号,从而创建显示微塑料种类和浓度的光学‘指纹’。”

你还将使用机器学习技术来支持这项研究的最后一部分——以微小细菌形式存在的可以降解塑料的工程微生物。这些微生物将进行生化处理,将微塑料转化为更环保、更有潜在价值的材料,如生物燃料或脂肪酸,这些材料可用于生产更多的微清洁剂。

研究人员还希望推进活性微清洁器设计的科学,开发用于塑料可持续加工的微生物,该项目的其他方面也有可能在各种环境和工业应用中发挥作用。

阿博特说:“传统的颗粒捕捉工程方法在大规模撞击塑料微粒的情况下是没有意义的。”“我们的部分策略是使用分解的微塑料产品作为微型清洗机的基础,可以收集额外的微粒。这种循环方法使工程解决方案所需的流程规模得以扩大。”

北卡罗来纳州立大学教授卡罗尔·霍尔(Carol Hall)、奥林·维利夫(Orlin Velev)和内森·克鲁克(Nathan Crook)是该项目的联合首席研究员。

帮助指导初步研究的有康奈尔大学梅尼格生物医学工程学院罗伯特·s·兰格(Robert S. Langer ‘ 70 ‘ Family and Friends)教授蒋绍义和康奈尔大学农业与生命科学学院生物与环境工程教授托德·沃尔特。

Syl Kacapyr是工程学院的公共关系和内容经理。

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