Brug af bakterier til at fremskynde CO2-opsamling i havene

Du er måske bekendt med direkte luftindfangning, eller DAC, hvor kuldioxid fjernes fra atmosfæren i et forsøg på at bremse virkningerne af klimaændringer. Nu har en videnskabsmand ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) foreslået en ordning for direkte havfangst. Fjerner CO₂ fra havene vil sætte dem i stand til at fortsætte med at gøre deres arbejde med at absorbere overskydende CO₂ fra atmosfæren.

Eksperter er for det meste enige om, at bekæmpelse af klimaændringer vil kræve mere end at standse emissioner af klimaopvarmende gasser. Vi skal også fjerne den kuldioxid og andre drivhusgasser, der allerede er blevet udledt, til en mængde på gigaton CO₂ fjernet hvert år inden 2050 for at opnå netto nul-emissioner. Havene indeholder betydeligt mere CO₂ end atmosfæren og har fungeret som et vigtigt kulstofdræn for vores planet.

Peter Agbo er en ansat videnskabsmand i Berkeley Lab i Chemical Sciences Division, med en sekundær ansættelse i Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division. Han blev tildelt et tilskud gennem Berkeley Labs Carbon Negative Initiative, som har til formål at udvikle banebrydende negative emissionsteknologier, for sit forslag til havfangst. Hans medforskere på dette projekt er Steven Singer ved Joint BioEnergy Institute og Ruchira Chatterjee, en videnskabsmand i Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division af Berkeley Lab.

Sp. Kan du forklare, hvordan du forestiller dig, at din teknologi fungerer?

Det, jeg i bund og grund prøver at gøre, er at konvertere CO₂ til kalksten, og en måde at gøre dette på er at bruge havvand. Grunden til at du kan gøre dette, er fordi kalksten er sammensat af magnesium, eller det der kaldes magnesium og calciumcarbonater. Der er meget magnesium og calcium naturligt i havvand. Så hvis du har gratis CO₂ flyder rundt i havvand, sammen med magnesium og calcium, vil det naturligt danne kalksten til en vis grad, men processen er meget langsom – grænseoverskridende geologiske tidsskalaer.

Det viser sig, at flaskehalsen i omdannelsen af ​​CO₂ til disse magnesium- og calciumcarbonater i havvand er en proces, der naturligt katalyseres af et enzym kaldet kulsyreanhydrase. Det er ikke vigtigt at kende enzymnavnet; det er bare vigtigt at vide, at når du tilføjer kulsyreanhydrase til denne havvandsblanding, kan du dybest set fremskynde omdannelsen af ​​CO₂ til disse kalksten under passende forhold.

Og så ideen er at skalere dette op - tegne CO₂ ud af atmosfæren ud i havet og i sidste ende til et eller andet kalkstensprodukt, som du kunne binde.

Sp. Spændende. Så du vil omdanne kuldioxid til sten ved hjælp af en proces, der forekommer naturligt i havvand, men at accelerere den. Det lyder næsten som science fiction. Hvad er udfordringerne ved at få dette til at fungere?

At absorbere CO₂ fra luften hurtigt nok til, at teknologien virker, skal du løse problemet med, hvordan du kan levere nok af dette enzym, til at du kan implementere denne proces i en meningsfuld skala. Hvis vi blot skulle forsøge at levere enzymet som et rent produkt, kunne man ikke gøre det på en økonomisk rentabel måde. Så spørgsmålet, jeg prøver at besvare her, er, hvordan ville du gøre det? Du skal også finde måder at stabilisere pH-værdien på og blande tilstrækkeligt med luft til at hæve og vedligeholde din CO₂ koncentration i vand.

Løsningen, der faldt mig ind, var okay, da vi ved, at kulsyreanhydrase er et protein, og proteiner syntetiseres naturligt af biokemiske systemer, såsom bakterier, som vi kan manipulere, så kunne vi tage bakterier og derefter konstruere dem til at lave kulsyre anhydrase for os. Og du kan bare blive ved med at dyrke disse bakterier, så længe du fodrer dem. Et problem er dog, at du nu har flyttet omkostningsbyrden til at levere nok mad til at producere nok bakterier til at producere nok enzym.

En måde at undgå dette problem på ville være at bruge bakterier, der kan vokse ved hjælp af energi og næringsstoffer, der er let tilgængelige i det naturlige miljø. Så dette pegede mod fotosyntetiske bakterier. De kan bruge sollys som deres energikilde, og de kan også bruge CO₂ som deres kulstofkilde at fodre på. Og visse fotosyntetiske bakterier kan også bruge de mineraler, der naturligt forekommer i havvand, i det væsentlige som vitaminer.

Sp. Interessant. Så vejen til at fange overskydende CO₂ ligger i at kunne konstruere en mikrobe?

Potentielt én vej, ja. Det, jeg har arbejdet på i dette projekt, er at udvikle en genetisk modificeret bakterie, der er fotosyntetisk og er konstrueret til at producere en masse kulstofanhydrase på dens overflade. Så hvis du skulle putte det i havvand, hvor du har meget magnesium og calcium, og også CO₂ til stede, ville du se en hurtig dannelse af kalksten. Det er den grundlæggende idé.

Det er et lille projekt for nu, så jeg besluttede at fokusere på at få den konstruerede organisme. Lige nu forsøger jeg simpelthen at udvikle det primære katalysatorsystem, som er de enzymmodificerede bakterier, der driver mineraliseringen. De andre ikke-trivielle dele af denne tilgang – hvordan man hensigtsmæssigt designer reaktoren til at stabilisere CO₂ koncentrationer og pH, der er nødvendige for at denne ordning kan fungere - er fremtidige udfordringer. Men jeg har brugt simuleringer til at informere om mine tilgange til disse problemer.

Det er et sjovt projekt, fordi mine co-PI'er og jeg på en given dag kunne lave enten fysisk elektrokemi eller genmanipulation i laboratoriet.

Sp. Hvordan ville det se ud, når det først er opskaleret? Og hvor meget kulstof ville det være i stand til at binde?

Hvad jeg har forestillet mig er, at bakterien ville blive dyrket i en planteskaleret bioreaktor. Du strømmer stort set havvand ind i denne bioreaktor, mens du aktivt blander luft i, og den behandler havvandet og omdanner det til kalksten. Ideelt set har du sandsynligvis en eller anden form for nedstrøms centrifugeringsproces til at udvinde de faste stoffer, som måske kunne være drevet af selve vandstrømmen, som så hjælper med at trække kalkstenskarbonaterne ud, før du så udstøder det udtømte havvand. Et alternativ, der muligvis kunne løse pH-begrænsningerne ved mineralisering, ville være at implementere dette i stedet som en reversibel proces, hvor du også bruger enzymet til at omdanne det kulstof, du har fanget i havvandet tilbage til en mere koncentreret CO_{2 strøm (kulsyreanhydrase-adfærd er reversibel).}

Det, jeg har beregnet for dette system, idet det antages, at proteinet kulsyreanhydrase opfører sig på bakterieoverfladen, mere eller mindre, som det gør i fri opløsning, ville tyde på, at du ville have brug for en plante, der kun har omkring 1 mio. liter volumen, hvilket faktisk er ret lille. En af dem kan få dig til omkring 1 megaton CO₂ fanget om året. Der er dog indbygget mange antagelser i den slags skøn, og det vil sandsynligvis ændre sig, efterhånden som arbejdet skrider frem.

At opføre 1.000 sådanne anlæg globalt, hvilket er et lille antal sammenlignet med de 14.000 vandbehandlingsanlæg i USA alene, ville tillade den årlige, gigaton-skala opsamling af atmosfærisk CO₂ . + Udforsk yderligere

Dybhavsbakterier kan hjælpe med at neutralisere drivhusgasser, finder forskere