Hvordan bakterier kan hjælpe med at omdanne en potent drivhusgas til vedvarende brændstof

Bakterier kan blive en arbejdsstyrke, der hjælper med at omdefinere vores energisektor.

Selvom disse encellede organismer ofte afvises som sundhedsfarer, eller jublet over deres probiotiske fordele, deres anvendelighed som højt specialiserede mikroskopiske arbejdere er lige begyndt at blive forstået - og det arbejde, de udfører, kan ændre den måde, vi laver vores energi på.

Som en del af forskningsinitiativet Future Energy Systems, University of Alberta biologiske videnskabsforsker Lisa Stein og kemiingeniørforsker Dominic Sauvageau er gensplejsede ikke-farlige bakterier, der forbruger metan, en af ​​de mest potente drivhusgasser, og gør det til brændstof.

Oversete emissioner

Metan er en vigtig aktør i klimaforandringerne.

"Når vi kalder det naturgas og brænder det for strøm, metan reducerer emissionerne sammenlignet med kul, "Sauvageau forklarer." Men hvis det kommer ind i atmosfæren uden at blive brændt, det har faktisk en stærkere global opvarmningseffekt end CO2."

Metan er 25 gange stærkere end kuldioxid, så i 2016, Canada, USA og Mexico forpligtede sig til at reducere deres metanemissioner med 45 procent inden 2025. Da 44 procent af Canadas (og 70 procent af Albertas) metanemissioner stammer fra olie- og gassektoren, opfyldelse af disse mål betyder regler, der tvinger producenter til at opfange "flygtige" emissioner.

"For at kompensere for omkostningerne ved at opsamle metanen kunne man bare sælge det som naturgas, "Stein foreslår." Men du kan også finde en måde - ved hjælp af naturligt forekommende bakterier - at gøre det til et mere værdifuldt brændstof, eller endda et produkt, der slet ikke frigiver kuldioxid."

Opskalere

Forskere har i årtier vidst, at bakterier kan modificeres til at omdanne metan til andre produkter, men ingen har formået at skalere det helt op.

"I gamle dage, en biologisk videnskabsmand kunne blive i sit laboratorium for at modificere bakterier og teste dem under isolerede forhold, " Stein forklarer. "Men det, der virker i en petriskål, fungerer ikke nødvendigvis i industriel skala."

Hun sammenligner det med at træne en arbejder til at producere et bestemt produkt, men ikke bekymre sig om designet af fabrikken. Når millioner af disse arbejdere samles på en fabrik, der ikke har det rigtige layout, udstyr eller arbejdsforhold, de kan tilgives for blot at stirre forvirret på hinanden.

"Uanset hvor perfekt egnet til jobbet, en million individer uden organisation er normalt bare en pøbel, " siger Sauvageau.

Tricket er at bygge fabrikker, der passer til arbejderne – "reaktorer", der kan variere i størrelse fra et badekar til en swimmingpool i olympisk størrelse.

Så, da Steins laboratorium genetisk modificerer bakterier, Sauvageaus team kører eksperimenter for at identificere de optimale betingelser for deres arbejde. Variabler kan omfatte størrelsen af ​​kamre, layout, temperatur og næringsstoffer, og når de finder en optimal tilstand, at informationen bliver ført tilbage for yderligere at tilpasse de bakterier, der skal fungere i den.

"Vores teammedlemmer interagerer på daglig basis, og vores teams mødes hver anden uge, " siger Stein. "Konstant kommunikation betyder, at vi kan bevæge os hurtigt."

Sammen, de arbejder sammen med Mango Materials - en californisk bioenergistartup, hvis andre forskningspartnere inkluderer NASA - for at pilotere en reaktor, der fanger metan fra spildevandsbehandling og bruger bakterier til at omdanne det til bioplast.

Opbygning af en liste

Sammensætningen af ​​opfanget metan varierer afhængigt af dens kilde, så Stein og Sauvageau skaber en platform af et halvt dusin bakterier, der er gensplejset til at virke under forskellige omstændigheder.

"Ingen enkelt type bakterier vil klare alle opgaver, " Sauvageau forklarer. "Vi laver en liste over forskellige bakterier med matchende reaktorer, der kan tilpasses til forskellige industrielle applikationer."

Disse bakterier vil bruge metan til at producere en række produkter. Den ene er butanol, et alkoholbrændstof, der enten kan køre umodificerede benzinbilmotorer eller blandes i dieselbrændstof for at reducere sodemissionen. Andre omfatter isoprenoider, kemikalier, der normalt kommer fra olie, som kan bruges som biojetbrændstof.

"Ved at skabe disse materialer ud fra metan, vi reducerer vores behov for at udvinde fossile brændstoffer fra jorden, " siger Stein. "I stedet for at grave nyt kulstof ud af Jorden og uddrive det i atmosfæren, vi genbruger det, der allerede er herude."

Genanvendelse af metan-emissioner og reduktion af behovet for ny udvinding lyder lovende, men hverken Stein eller Sauvageau ser det som en sølvkugle for klimaforandringerne.

"Vores platform er kun en del af det, der skal være en systemdækkende løsning, " siger Sauvageau. "Til sidst vil vores energiinfrastruktur ændre sig, og vi kan ikke stole så meget på forbrændingsmotorer - eller kulbrintebrændstoffer. "

Men hvis vores system ikke længere kræver kulbrinter, ville bakterierne finde sig selv uden arbejde? Stein tvivler på det.

"Vi lærer meget om, hvordan man arbejder med disse bakterier, " siger hun. "Jeg er ret sikker på, at vi kan lokke dem til at lave noget andet."