Mercury as a Global Contaminant Bioaccumula)on into humans S - - PowerPoint PPT Presentation

Mercury as a Global Contaminant

Bioaccumula)on ¡ ¡into ¡humans ¡

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Current Methods to Remove Mercury

Hg ¡ Hg ¡ Hg ¡

C ¡ C ¡ C ¡

Hg ¡ Hg ¡ Hg ¡ Hg ¡ Hg ¡ Hg ¡ Hg ¡ Hg ¡ Hg ¡ Hg ¡ Hg ¡

Method ¡ Sensi,ve ¡to ¡Other ¡ Contaminants ¡ Remediates ¡all ¡Major ¡ Species ¡of ¡Hg ¡ Results ¡in ¡ Potable ¡Water ¡ Poten,al ¡Toxic ¡ Byproducts ¡ ¡ Cost ¡ Precipita)on ¡

✔ ¡ ✖ ¡ ✖ ¡ ✔ ¡ $$ ¡

Adsorp)on ¡

✔ ¡ ✖ ¡ ✖ ¡ ✖ ¡ $ ¡

Membrane ¡Filtra)on ¡

✔✔ ¡ ✔ ¡ ✔ ¡ ✔ ¡ $$$ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Precipita)on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Adsorp)on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Membrane ¡Filtra)on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

The Biological System

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM

Hg2+ ¡

Function of the mer Operon

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM

Hg2+ ¡ Hg2+ ¡

Function of the mer Operon

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM

Hg2+ ¡ Hg2+ ¡

Function of the mer Operon

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM

Hg2+ ¡ Hg2+ ¡

Function of the mer Operon

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM

Hg2+ ¡ Hg2+ ¡ Hg0 ¡

Function of the mer Operon

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM Hg2+ ¡

Hg2+ ¡

Function of the mer Operon

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM Hg2+ ¡

Hg2+ ¡ Hg2+ ¡

Function of the mer Operon

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM

Hg2+ ¡ Hg2+ ¡ Hg0 ¡

Function of the mer Operon

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM Hg2+ ¡

Maintaining Metabolic Activity

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM

Silica Sol-Tek Technology to Maximize Metal Reduction

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM Bacteria ¡ Silica ¡Nanopar)cle ¡ ¡ Solu)on ¡

Silica Sol-Tek Technology to Maximize Metal Reduction

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM Bacteria ¡ Silica ¡Nanopar)cle ¡ ¡ Solu)on ¡ Bacteria ¡in ¡ ¡ SNP ¡Sol ¡

Adjusts ¡pH ¡to ¡7 ¡ ¡ Mix ¡With ¡SNP ¡

TMOS ¡

Silica Sol-Tek Technology to Maximize Metal Reduction

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM Bacteria ¡ Silica ¡Nanopar)cle ¡ ¡ Solu)on ¡ Bacteria ¡in ¡ ¡ SNP ¡Sol ¡

Adjusts ¡pH ¡to ¡7 ¡ ¡ Mix ¡With ¡SNP ¡ Hydrolysis ¡

TMOS ¡

Silica Sol-Tek Technology to Maximize Metal Reduction

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM Bacteria ¡ Silica ¡Nanopar)cle ¡ ¡ Solu)on ¡ Bacteria ¡in ¡ ¡ SNP ¡Sol ¡

Adjusts ¡pH ¡to ¡7 ¡ ¡ Mix ¡With ¡SNP ¡

Stable ¡ Crosslinker ¡

Hydrolysis ¡

TMOS ¡ Encapsulated ¡ Bacteria ¡

Silica Sol-Tek Technology to Maximize Metal Reduction

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM Bacteria ¡ Silica ¡Nanopar)cle ¡ ¡ Solu)on ¡ Bacteria ¡in ¡ ¡ SNP ¡Sol ¡

Adjusts ¡pH ¡to ¡7 ¡ ¡ Mix ¡With ¡SNP ¡

Stable ¡ Crosslinker ¡

Cross ¡Linking ¡ Cross ¡Linking ¡ Hydrolysis ¡

TMOS ¡ Encapsulated ¡ Bacteria ¡

Silica Sol-Tek Technology to Maximize Metal Reduction

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH PROBLEM ¡ SYSTEM Bacteria ¡ Silica ¡Nanopar)cle ¡ ¡ Solu)on ¡ Bacteria ¡in ¡ ¡ SNP ¡Sol ¡

Adjusts ¡pH ¡to ¡7 ¡ ¡ Mix ¡With ¡SNP ¡

Stable ¡ Crosslinker ¡

Cross ¡Linking ¡ Cross ¡Linking ¡ Hydrolysis ¡

Evalua)on ¡ ¡

Utilizing Original UMN Silica Sol-Tek Technology to Maximize Metal Reduction

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Utilizing Original UMN Silica Sol-Tek Technology to Maximize Metal Reduction

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Utilizing Original UMN Silica Sol-Tek Technology to Maximize Metal Reduction

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Utilizing Original UMN Silica Sol-Tek Technology to Maximize Metal Reduction

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

mer Operon Zone of Inhibition Testing – HgCl2

OVERVIEW ¡ SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH pDU1358 pBBRBB::mer pBBRBB::gfp (Vector control) pBBRBB::mer (no Hg)

mer Operon Zone of Inhibition Testing – HgCl2

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Cells Containing mer Operon Reduce Methylmercury

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Cells Containing mer Operon Reduce Methylmercury

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Methyl Mercury Methyl Mercury Ionic Mercury Volatile Mercury Volatile Mercury

Biochemical Network

MerB ¡ MerA ¡

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡ SYSTEM

Biochemical Network Model

MerB ¡ MerB ¡ MerA ¡ MerA ¡

Testable ¡Hypothesis: ¡MerA ¡is ¡rate-­‑limi)ng ¡ SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

User-friendly, Scalable Device

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

FUNCTIONAL ¡

• Water ¡is ¡pumped ¡through ¡tubing ¡packed ¡with ¡

encapsulated ¡bacteria ¡ ¡

• Mercury ¡species ¡are ¡converted ¡to ¡Hg0 ¡
• Hg0 ¡is ¡adsorbed ¡onto ¡ac)vated ¡carbon ¡filter ¡

FUNCTIONAL ¡ ADAPTABLE ¡ SCALABLE ¡ INFORMED ¡

User-friendly, Scalable Device

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

• Up: ¡800 ¡L ¡reactor ¡can ¡remediate ¡1 ¡mg/L ¡of ¡ ¡ ¡

CH3Hg+ ¡at ¡flow ¡rates ¡> ¡100 ¡L/hr ¡

• No ¡large ¡pressure ¡drops ¡or ¡fric)onal ¡losses ¡ ¡ ¡ ¡

across ¡column ¡

• Capacity ¡limited ¡only ¡by ¡life)me ¡of ¡bacteria ¡
• Down: ¡feasible ¡on ¡the ¡scale ¡of ¡domes)c ¡ ¡

water ¡soXener ¡filters ¡

FUNCTIONAL ¡ ADAPTABLE ¡ SCALABLE ¡ INFORMED ¡ SCALABLE ¡

User-friendly, Scalable Device

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

• Deployed ¡a ¡Likert ¡scale ¡survey ¡of ¡five ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

ques)ons ¡to ¡assess ¡public ¡percep)on ¡

• Added ¡extensive ¡mechanical ¡barriers ¡to ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

prevent ¡leakage ¡

• Tested ¡leakage ¡from ¡cell ¡encapsulates ¡and ¡

designed ¡two ¡kill ¡switches ¡

FUNCTIONAL ¡ ADAPTABLE ¡ SCALABLE ¡ INFORMED ¡ INFORMED ¡

RBS ¡ Mod ¡lacp ¡ phsA ¡ phsB ¡ phsC ¡ E ¡ X ¡ S ¡ P ¡

Reducing More Heavy Metals

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

• Improved ¡Yale ¡2010 ¡Part ¡(Bba_K393000) ¡by ¡adding ¡a ¡modified ¡lac ¡promoter ¡
• The ¡operon ¡no ¡longer ¡requires ¡IPTG ¡induc)on, ¡allowing ¡prac)cal ¡environmental ¡use ¡
• Improved ¡characteriza)on ¡by ¡tes)ng ¡it ¡with ¡cadmium ¡and ¡iron ¡ ¡

Function of PhsABC – Thiosulfate Reductase

Adapted ¡from ¡L. ¡Stoffels ¡et ¡al ¡(2011). ¡ ¡Journal ¡of ¡Bacteriology ¡ ¡

PhsA ¡ PhsC ¡ PhsB ¡ b ¡ b ¡ FeS ¡ FeS ¡ FeS ¡ FeS ¡ FeS ¡

Mo ¡ MKH2 ¡ MK ¡ 2 ¡H+ ¡ S2O3

2-­‑ ¡ ¡+ ¡ ¡2 ¡H+ ¡

HS-­‑ ¡ ¡+ ¡ ¡HSO3

• ­‑ ¡

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Monitoring PhsABC Activity Using Cline’s Assay

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Precipita)on ¡of ¡Cadmium ¡as ¡CdS ¡ ¡

Visualizing Metal Precipitation From H2S

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡pBBRBB::phsABC ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡pBBRBB::gfp ¡

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Precipita)on ¡of ¡Cadmium ¡as ¡CdS ¡ ¡

Visualizing Metal Precipitation From H2S

Precipita)on ¡of ¡Iron ¡as ¡FeS ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡pBBRBB::phsABC ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡pBBRBB::gfp ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡pBBRBB::phsABC ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡pBBRBB::gfp ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Abio,c ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡pBBRBB::phsABC ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡pBBRBB::gfp ¡

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

By the People, For the People

Informing ¡ Our ¡Design ¡ Expert ¡ Insight ¡ Educa)onal ¡ Outreach ¡ Intellectual ¡ Property ¡

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

The Great MN Get Together

• Address ¡Public ¡Investment ¡ ¡
• Acceptable ¡Applica)ons ¡
• Assess ¡Major ¡Concerns ¡

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Expert Insight

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Commitment to Service and Education

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

+ ¡ = ¡

Securing Intellectual Property

• Ajended ¡ three ¡ IP ¡ Protec)on ¡ and ¡

Paten)ng ¡Workshops ¡

• Developed ¡a ¡business ¡plan ¡
• Economic ¡Analysis ¡ ¡
• Applied ¡for ¡paten)ng ¡through ¡OTC ¡

SYSTEM MODELING DEVICE BIOPRECIPITATION OUTREACH OVERVIEW ¡

Sponsors

Collaborators and Adivsors

Collaborators ¡ ¡

Summers ¡Lab ¡at ¡University ¡of ¡ Georgia ¡ Schmidt-­‑Dannert ¡Lab ¡at ¡UMN ¡ Aksan ¡Lab ¡at ¡UMN ¡ Wackej ¡Lab ¡at ¡UMN ¡ Nater ¡Lab ¡at ¡UMN ¡ Colombia ¡iGEM ¡ Wisconsin ¡Lutheran ¡iGEM ¡

Advisors ¡

• Dr. ¡Jeffrey ¡Gralnick ¡
• Dr. ¡Casim ¡Sarkar ¡

Aunica ¡Kane ¡

• Dr. ¡Sarah ¡Purdue ¡
• Dr. ¡James ¡Ellinger ¡
• Dr. ¡Mark ¡Held ¡

Stephen ¡Heinsch ¡ Basem ¡Al-­‑Shayeb ¡ Jessica ¡Tarnowski ¡ Suzie ¡Hsu ¡ Valeriu ¡Bortnov ¡ Cassandra ¡Barrej ¡ Niko ¡Le ¡Mieux ¡ Srijay ¡Rajan ¡ Taylor ¡Aldridge ¡ Patrick ¡Holec ¡ David ¡Hu ¡ Jennifer ¡Strommen ¡ Sarah ¡Lucas ¡ Logan ¡Pfaff ¡ Di ¡Liu ¡ Holly ¡Li ¡ Roxana ¡Karami ¡ Aaron ¡Free ¡ Tanner ¡Fuchs ¡ Camilo ¡Rey ¡Bedon ¡

The ¡Team ¡

Thank You!

Greenhouse Gas Emissions

Methane ¡is ¡produced ¡in ¡stoichiometric ¡amounts ¡ when ¡methylmercury ¡is ¡reduced ¡by ¡our ¡bacteria. ¡For ¡ a ¡1 ¡mg/L ¡concentra)on ¡(5 ¡μM) ¡of ¡methylmercury, ¡ ¡ 80 ¡μg ¡of ¡methane ¡will ¡be ¡produced ¡per ¡liter ¡of ¡water ¡

• remediated. ¡A ¡typical ¡cow ¡produces ¡180 ¡g ¡of ¡

methane ¡per ¡day, ¡meaning ¡over ¡2 ¡million ¡liters ¡of ¡ water ¡(enough ¡to ¡fill ¡a ¡747) ¡will ¡have ¡to ¡be ¡ remediated ¡per ¡day ¡to ¡match ¡the ¡methane ¡output ¡of ¡

• ne ¡cow. ¡

Moo! ¡