东北大学学生通过基因工程改善堆肥气味

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改善堆肥气味：东北大学（2024USNews美国大学排名：53）工程学生的创新尝试

2024年6月26日，东北大学的工程学生们正在开发一种解决方案，使堆肥闻起来像薄荷和薰衣草，而不是臭味。堆肥本应闻起来像泥土，但由于混合不均、缺氧或过湿等原因，堆肥可能会散发出难闻的气味。许多人因为担心堆肥会产生臭味而不愿意开始堆肥，尤其是住在小城市环境中的人们。东北大学的生物工程学生团队希望通过针对微生物过程，使堆肥闻起来更香，从而降低这一障碍。这个项目是东北大学重振的iGEM竞赛团队的第一个项目，团队由大约16名本科生组成。iGEM是国际基因工程机器基金会的缩写，每年该基金会都会举办一场竞赛，展示来自世界各地大学和高中的原创科学项目。今年的竞赛将于10月下旬在巴黎会议中心举行。团队计划通过工程化微生物来生产具有更愉悦气味的化合物，从而中断导致堆肥气味不佳的“酶途径”过程。该项目不仅旨在改善堆肥的气味，还希望通过薰衣草和薄荷的气味来阻止啮齿动物。团队还计划与东北大学和波士顿社区合作，鼓励更多人开始堆肥，并减少与堆肥相关的障碍。

微生物过程在改变堆肥气味中的作用

堆肥的气味主要由微生物在分解有机物质过程中产生的化合物决定。2023年9月28日，Frontiers in Microbiology发表了一篇题为“Comparing bacterial dynamics for the conversion of organics and humus components during manure composting from different sources”的研究文章。该研究旨在比较不同来源的粪肥在堆肥过程中有机成分转化、腐殖质成分和细菌群落动态的差异，并确定驱动腐殖化过程的关键生物和非生物因素。研究使用了猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪和鸭粪五种粪肥作为原料，进行了为期30天的堆肥实验。结果显示，不同粪肥在有机成分分解方面存在显著差异，其中牛粪和羊粪堆肥中纤维素降解较多，而猪粪和鸡粪堆肥中半纤维素降解较多。猪粪和牛粪堆肥中的腐殖质含量显著高于其他堆肥。荧光光谱分析表明，羊粪堆肥倾向于形成结构稳定的腐殖酸，而鸡粪和鸭粪则倾向于形成结构复杂的富里酸。皮尔逊相关分析显示，腐殖化程度较高的猪粪和牛粪堆肥的腐殖化过程与木质素和半纤维素的降解呈正相关。生物信息学分析发现，Lysinibacillus促进了半纤维素的降解和富里酸向腐殖酸的转化，而在羊粪、鸡粪和鸭粪堆肥中，Thermobifida、Lactobacillus和Ureibacillus是形成腐殖酸的关键菌属。网络分析表明，不同腐殖质和腐殖化水平的堆肥中细菌的相互作用模式存在明显差异。该研究为进一步优化有机物转化和提高粪肥堆肥的腐殖化效率提供了理论基础。

东北大学的学生们正是利用了这些微生物过程，通过基因工程手段，设计出能够生产薄荷和薰衣草香味的微生物，从而改善堆肥的气味。这不仅是对微生物学的一次创新应用，也是对环境保护的一次有力推动。

iGEM竞赛及其重要性

iGEM（国际基因工程机器基金会）竞赛是全球范围内最具影响力的合成生物学竞赛之一。每年，来自世界各地的大学和高中团队都会参加这一竞赛，展示他们的原创科学项目。2023年11月29日，加州大学圣克鲁兹分校（UCSC）的iGEM团队在2023年国际基因工程机器大赛中获得了第四个连续金奖，并首次获得最佳软件工具提名。该团队的项目名为“有毒藻华干扰”（TABI），旨在解决Watsonville的Pinto湖的有害藻华问题，并希望这一解决方案能在全球范围内应用。iGEM大赛汇集了来自世界各地的学生团队，展示旨在解决21世纪社会挑战的合成生物学项目。UCSC团队的项目包括头脑风暴、筹款、建立项目网站、软件开发、地方宣传、研究和实验室工作。团队成员在巴黎展示了他们的项目，并与其他合成生物学爱好者建立了联系。此次大赛是疫情后的第二次线下Jamboree，提供了与行业和政府代表网络交流的机会。UCSC团队的项目通过使用质粒干扰藻华细菌的有毒基因，提出了一种非侵入性、长期的解决方案。为了实现这一目标，他们开发了一种名为Chameleon的软件工具，帮助设计质粒以避开细菌的免疫系统。该软件通过统计分析确定质粒中最可能被免疫系统攻击的元素，并在不改变质粒功能的情况下移除这些元素。团队希望其他科学家能使用Chameleon来解决他们社区中的有毒藻华问题。

东北大学的学生团队正是通过参加iGEM竞赛，展示他们的堆肥气味改善项目，期望能够在全球范围内推广这一创新解决方案。iGEM竞赛不仅为学生们提供了展示自己才华的平台，也为他们提供了与全球顶尖科学家和工程师交流的机会。

令人愉悦的堆肥气味对城市堆肥实践的潜在影响

堆肥在城市环境中的推广一直面临着诸多挑战，其中最主要的一个问题就是堆肥的气味。许多城市居民因为担心堆肥会产生臭味而不愿意开始堆肥。然而，堆肥对于减少垃圾填埋场的压力、改善土壤质量和减少温室气体排放具有重要意义。东北大学的学生们希望通过改善堆肥的气味，降低这一障碍，鼓励更多的城市居民参与到堆肥实践中来。

通过工程化微生物，使堆肥闻起来像薄荷和薰衣草，不仅可以减少堆肥的臭味，还可以通过这些气味来阻止啮齿动物。这一创新解决方案有望在城市环境中得到广泛应用，促进城市堆肥的普及。

此外，东北大学的学生团队还计划与波士顿社区合作，开展一系列的宣传和教育活动，向社区居民介绍堆肥的好处和如何正确进行堆肥。这些活动将有助于提高社区居民的环保意识，推动城市堆肥的普及。

综合总结

东北大学工程学生们的堆肥气味改善项目不仅是对微生物学的一次创新应用，也是对环境保护的一次有力推动。通过参加iGEM竞赛，学生们展示了他们的才华和创新能力，并希望能够在全球范围内推广这一解决方案。令人愉悦的堆肥气味有望在城市环境中得到广泛应用，促进城市堆肥的普及，减少垃圾填埋场的压力，改善土壤质量，减少温室气体排放。东北大学的学生团队通过与波士顿社区的合作，开展宣传和教育活动，进一步推动了城市堆肥的普及。这一项目不仅展示了学生们的创新能力，也为环境保护做出了积极贡献。