นักวิทยาศาสตร์เปลี่ยนปัสสาวะของมนุษย์เป็นวัสดุกระดูกเทียมโดยใช้ยีสต์ดัดแปลงพันธุกรรม

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีชีวภาพได้เกิดขึ้นจากแหล่งที่ไม่คาดคิด นั่นคือของเสียจากมนุษย์ นักวิจัยได้ประสบความสำเร็จในการดัดแปลงพันธุกรรมของยีสต์เพื่อเปลี่ยนปัสสาวะให้กลายเป็น hydroxyapatite แร่ธาตุที่มีค่าซึ่งใช้ในการสร้างกระดูกเทียมและฟันเทียม นวัตกรรมนี้ตอบสนองความท้าทายระดับโลกหลายประการพร้อมกัน ตั้งแต่ต้นทุนการจัดการขยะไปจนถึงการผลิตวัสดุอย่างยั่งยืน

การค้นพบนี้สร้างขึ้นบนพื้นฐานของสาขาที่กำลังเติบโตที่เรียกว่า pee-cycling ซึ่งเป็นการเคลื่อนไหวเพื่อสกัดทรัพยากรที่มีค่าจากของเสียของมนุษย์ก่อนที่จะเข้าสู่ระบบบำบัดน้ำเสีย การอภิปรายในชุมชนเผยให้เห็นว่าแนวทางนี้อาจมีผลกระทบในวงกว้างนอกเหนือจากการผลิตวัสดุเท่านั้น โดยเฉพาะในการแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมที่ขณะนี้กำลังขัดขวางโครงการพัฒนาต่างๆ

ข้อมูลจำเพาะทางเทคนิค

• สิ่งมีชีวิตพื้นฐาน: Saccharomyces boulardii (สายพันธุ์ยีสต์ที่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรม)
• ผลิตภัณฑ์: Hydroxyapatite (แร่ธาตุที่มีพื้นฐานจากแคลเซียมและฟอสฟอรัส)
• ผลิตภัณฑ์พลอยได้: เกลือแอมโมเนียสำหรับการผลิตปุ๋ย
• การประยุกต์ใช้: การผ่าตัดกระดูก/ทันตกรรม, วัสดุพลาสติกน้ำหนักเบา

ขยะทางการเกษตรสร้างวิกฤตที่อยู่อาศัย

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากของเสียที่มีไนโตรเจนสูงได้สร้างผลที่ตามมาอย่างไม่คาดคิดในหลายประเทศ ใน Netherlands ขยะจากปศุสัตว์ที่มีแอมโมเนียได้กลายเป็นปัญหาใหญ่จนป้องกันการก่อสร้างที่อยู่อาศัยใหม่ ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญในขณะที่ที่อยู่อาศัยราคาไม่แพงเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่ง รูปแบบที่คล้ายกันกำลังเกิดขึ้นในภูมิภาคอื่นๆ ที่น้ำท้ายจากการเกษตรได้ปนเปื้อนระบบน้ำ นำไปสู่การระงับการก่อสร้าง

สิ่งนี้สร้างวงจรที่น่าหงุดหงิด ชุมชนต้องการที่อยู่อาศัยมากขึ้น แต่กฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมที่ออกแบบมาเพื่อปกป้องคุณภาพน้ำกลับขัดขวางการพัฒนา เทคโนโลยียีสต์ใหม่นี้อาจช่วยทำลายความตึงเครียดนี้ได้โดยการดักจับสารประกอบไนโตรเจนที่เป็นอันตรายก่อนที่จะเข้าสู่สิ่งแวดล้อม

ศักยภาพผลกระทบระดับโลก

• การผลิตปุ่ยในปัจจุบัน: ~1% ของการใช้พลังงานทั้งหมดของโลก
• เป้าหมาย: ทดแทนความต้องการปุ่ยไนโตรเจนส่วนสำคัญ
• ประโยชน์เพิ่มเติม: ลดต้นทุนการบำบัดน้ำเสีย
• ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม: ดักจับไนโตรเจนที่เป็นอันตรายก่อนเข้าสู่ระบบนิเวศ

ศักยภาพทางเศรษฐกิจนอกเหนือจากการบำบัดขยะ

ตัวเลขทางการเงินเบื้องหลังเทคโนโลยีนี้น่าสนใจ นักวิจัยประเมินว่าการผลิต hydroxyapatite จากปัสสาวะจะมีต้นทุนประมาณ 19 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม ในขณะที่วัสดุนี้ขายในราคา 90-200 ดอลลาร์สหรัฐในตลาด สหรัฐอมेริกา ระบบที่ให้บริกาบเมืองขนาดเท่า San Francisco สามารถสร้างกำไรประจำปีประมาณ 1.4 ล้านดอลลาร์สหรัฐ

แต่คุณค่าที่แท้จริงอาจอยู่ที่ประโยชน์คู่ กระบวนการเดียวกันที่สร้างวัสดุกระดูกที่มีค่ายังดักจับแอมโมเนียซึ่งสามารถแปลงเป็นปุ่ยได้ ปัจจุบันประมาณ 1% ของการใช้พลังงานทั่วโลกใช้ในการผลิตปุ่ยไนโตรเจนจากก๊าซไนโตรเจนในบรรยากาศ การกู้คืนไนโตรเจนนี้จากของเสียสามารถลดการใช้พลังงานและต้นทุนปุ่ยได้อย่างมีนัยสำคัญ

เศรษฐศาสตร์การผลิต

• ต้นทุนการผลิต: ประมาณ 19 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัมของ hydroxyapatite
• ราคาตลาด: 90-200 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัมในตลาด U.S.
• กำไรต่อปีที่คาดหวัง: 1.4 ล้านดอลลาร์สหรัฐสำหรับเมืองขนาดเท่า San Francisco
• ประสิทธิภาพ: 1 กรัมของ hydroxyapatite ต่อกิโลกรัมของปัสสาวะ

ฉากที่มีชีวิตชีวาแสดงให้เห็นนวัตกรรมอุตสาหกรรมที่สะท้อนถึงศักยภาพทางเศรษฐกิจของการใช้ยีสต์ดัดแปลงพันธุกรรมสำหรับการผลิตวัสดุที่ยั่งยืนจากของเสีย

บริบททางประวัติศาสตร์ของการรีไซเคิลปัสสาวะ

แนวคิดในการสกัดคุณค่าจากปัสสาวะไม่ใช่เรื่องใหม่ทั้งหมด ตัวอย่างทางประวัติศาสตร์แสดงให้เห็นว่าชาว Roman ใช้ปัสสาวะเป็นผงซักฟอก โดยใช้ประโยชน์จากแอมโมเนียที่เกิดขึ้นเมื่อมันย่อยสลาย ปัสสาวะยังถูกใช้ในการผลิตดินปืนตลอดประวัติศาสตร์

การวิจัยสมัยใหม่ยังพบวิธีเร่งกระบวนการแบบดั้งเดิมเหล่านี้ เมล็ดแตงโมมีเอนไซม์ที่เรียกว่า urease ซึ่งสามารถเร่งการแปลงปัสสาวะเป็นแอมโมเนียจากหลายสัปดาห์เป็นข้ามคืน แม้ว่าความรู้นี้จะมาช้าเกินไปสำหรับร้านซักรีดของชาว Roman ซึ่งต้องเก็บปัสสาวะหลายสัปดาห์ขณะรอกระบวนการย่อยสลายตามธรรมชาติ

นวัตกรรมทางเทคนิคและความต้องการของตลาด

ยีสต์ดัดแปลงพันธุกรรมที่มีชื่อเล่นว่า osteoyeast เลียนแบบพฤติกรรมของ osteoblasts ซึ่งเป็นเซลล์เฉพาะทางที่ผลิตวัสดุกระดูกในสัตว์ตามธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม ต่างจาก osteoblasts ซึ่งยากและแพงมากในการเพาะเลี้ยงนอกร่างกาย ยีสต์นี้ยังคงรักษาลักษณะการดูแลที่ง่ายซึ่งทำให้ยีสต์เป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม

ยังคงมีคำถามเกี่ยวกับความต้องการของตลาดสำหรับ hydroxyapatite ที่ผลิตขึ้น แม้ว่าวัสดุนี้จะมีการใช้งานที่ชัดเจนในขั้นตอนทางการแพทย์และทันตกรรม แต่ต้นทุนวัสดุจริงมักจะเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของค่าใช้จ่ายการผ่าตัดทั้งหมด ความสำเร็จของเทคโนโลยีนี้อาจขึ้นอยู่กับประโยชน์ด้านการบำบัดขยะมากกว่าคุณค่าของวัสดุกระดูกที่ผลิตขึ้นเพียงอย่างเดียว

ทีมวิจัยได้ทำให้ osteoyeast ที่ได้รับสิทธิบัตรพร้อมสำหรับการให้ใบอนุญาตและยังคงพัฒนาสายพันธุ์ใหม่ที่สามารถสกัดวัสดุที่มีค่าอื่นๆ จากกระแสของเสีย แนวทางนี้อาจทำให้เกิดการดำเนินงานการขุดเหมืองทางชีวภาพที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมซึ่งเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ขยะต่างๆ เป็นทรัพยากรที่มีประโยชน์

อ้างอิง: New Process Uses Microbes to Create Valuable Materials from Urine