Учёные из Гарвардского университета и Стэнфордской школы устойчивого развития Доэрра генетически модифицировали распространённую морскую бактерию, чтобы ускорить естественный процесс выветривания горных пород, связывающий углекислый газ из атмосферы. В лабораторных биореакторах изменённые микроорганизмы ускорили растворение минерала оливина в 2,6 раза и увеличили удаление CO₂.
Выветривание начинается, когда силикатные минералы, такие как оливин, вступают в реакцию с водой, воздухом и биологическими агентами. При растворении оливина высвобождаются магний, железо и силикат, а растворённый в воде атмосферный CO₂ превращается в бикарбонат. Этот процесс является одним из естественных механизмов регулирования климата Земли.
Однако железо, высвободившееся из минерала, окисляется при контакте с атмосферой и образует на поверхности оливина слой ржавчины. Он препятствует дальнейшему растворению минерала и тем самым снижает скорость связывания углерода.
Некоторые бактерии естественным образом производят сидерофоры — молекулы, способные связывать окисленное железо и переводить его в растворимую форму. Удаляя железо с поверхности минерала, микроорганизмы фактически очищают её от ржавчины и позволяют процессу выветривания продолжаться быстрее.
Исследователи использовали бактерию Alteromonas macleodii и обнаружили, что в естественных условиях она прекращает вырабатывать сидерофоры после получения достаточного количества железа для роста. Учёные изменили бактерию так, чтобы она продолжала производить эти молекулы независимо от концентрации железа в окружающей среде.
«Чтобы обеспечить ускоренное выветривание в больших масштабах, мы создали A. macleodii, которая постоянно производит сидерофоры. Фактически мы отделили производство сидерофоров от уровня железа в окружающей среде», — объяснил первый автор исследования Нил Далви.
После первых успешных экспериментов команда построила опытные биореакторы, содержащие несколько килограммов зелёного песка из оливина, погружённого в необработанную морскую воду из Бостонской гавани. Морская вода и бактерии непрерывно проходили через минеральный материал, что позволило измерять скорость выветривания в стабильных условиях.
В ходе эксперимента система в конечном итоге удаляла из атмосферы около 0,5 грамма CO₂ в сутки. Генетически модифицированные бактерии при этом увеличили скорость выветривания оливина в 2,6 раза по сравнению с контрольными условиями.
Исследователи считают, что эксперимент продемонстрировал возможность с помощью синтетической биологии ускорять геологический процесс, который в природе обычно происходит чрезвычайно медленно. Такой подход может стать основой технологий удаления углекислого газа, если удастся масштабировать его без чрезмерных затрат энергии и ресурсов.
Учёные также провели оценку жизненного цикла системы, учитывая выбросы и поглощение углерода на биологических, геологических и химических этапах процесса. Анализ позволил определить параметры, которые необходимо оптимизировать для достижения чистого удаления углерода при промышленном использовании технологии.
Следующим этапом станет поиск экономически выгодных источников силикатных минералов и другого сырья. Исследователи также хотят выяснить, можно ли одновременно извлекать ценные металлы из минералов, связывая углерод.
Один из возможных вариантов применения предусматривает выращивание модифицированных бактерий в крупных бассейнах, аналогичных сооружениям на очистных станциях. Через них можно будет прокачивать необработанную морскую воду, а затем возвращать в океан щелочную воду, содержащую связанный углерод.
Авторы , что до промышленного применения технологии предстоит оценить её экономическую эффективность, экологические последствия и возможность безопасного масштабирования. Тем не менее первые эксперименты показали, что генетически модифицированные морские бактерии способны существенно ускорять естественный процесс связывания атмосферного углерода.