Geneticky upravené mořské bakterie mění olivín v nástroj pro zachytávání uhlíku

Výzkumný tým spojil syntetickou biologii s takzvaným podporovaným zvětráváním silikátů v mořské vodě. Geneticky upravil mořskou bakterii Alteromonas macleodii tak, aby i po odeznění nedostatku železa dál vytvářela siderofory – molekuly, které železo vážou. Cílem bylo zabránit tomu, aby se povrch olivínu pokryl vrstvou oxidů železa zpomalující jeho další rozpouštění. 2

Když se silikátové minerály, například olivín, rozpouštějí v mořské vodě, mohou zvyšovat její alkalitu. Tím podporují přeměnu atmosférického oxidu uhličitého na rozpuštěný hydrogenuhličitan. Wyssův institut tento širší proces označuje jako biologicky podporované zvětrávání pro účinnější zachytávání uhlíku. 3

Jak má genetická úprava fungovat

Za běžných podmínek tvorba sideroforů reaguje na množství železa v okolí buňky. Jakmile bakterie vyhodnotí, že ho má dost, produkci těchto látek omezí. Popsaná strategie tuto zpětnou vazbu oddělila od tvorby sideroforů a vytvořila kmen, který má produkovat výrazně větší a trvalejší množství těchto sloučenin. 2

Dodané podklady neuvádějí přesné změněné geny ani regulační sekvence. Přesnější je proto mluvit o přeprogramování regulace reagující na železo než tvrdit, že šlo o konkrétní genetický konstrukt.

Tato změna řeší jednu z překážek zvětrávání olivínu. Při rozpouštění minerálu se na jeho povrchu uvolňuje železo, které může oxidovat a vytvořit poměrně odolný povlak. Siderofory železo vážou a pomáhají ho udržet v roztoku. Povrch tak v podstatě „odrezují“ a umožní mořské vodě dál reagovat s čerstvým olivínem.

Rod Alteromonas je pro tento přístup v principu vhodným mořským mikrobiálním „nosičem“, protože jeho zástupci se běžně vyskytují v mořské vodě, od povrchových vrstev až po hlubší prostředí. 1718

Co ukázaly bioreaktory

Výzkumníci testovali upravenou bakterii v kontinuálně provozovaných reaktorech eVOLVER napájených mořskou vodou a následně v pilotním bioreaktoru s horninou a mořskou vodou. Podle dodaného shrnutí studie vedl upravený systém k přibližně 2,6násobnému zvýšení rozpouštění olivínu ve srovnání s příslušnými kontrolními podmínkami. Pilotní zařízení zároveň odstranilo zhruba 0,5 gramu atmosférického CO₂ denně.

Výsledky představují důkaz principu: ukazují, že lze spojit mikrobiální tvorbu látek vážících železo s řízeným zvětráváním minerálu v mořském procesu. Neříkají však, kolik uhlíku by bylo možné odstranit na jednotku minerálu, energie nebo objemu mořské vody při komerčním provozu. Studie také neprokazuje, že by vypuštění geneticky upravené bakterie do oceánu bylo bezpečné nebo účinné.

Rozhodující bude celková uhlíková bilance

Genetická úprava je jen jednou částí celého systému. Důvěryhodné posouzení musí zahrnout emise a spotřebu zdrojů v průběhu celého procesu, zejména:

• těžbu a drcení olivínu nebo jiného silikátového materiálu;
• přepravu minerálu na místo zpracování;
• výstavbu a provoz reaktorů, nádrží či bazénů;
• čerpání a úpravu mořské vody;
• dodávku živin a pěstování nebo udržování bakterií; a
• oddělování produktů a měření skutečně odstraněného uhlíku.

Podle dodaného shrnutí je závěr analýzy životního cyklu podmíněný: proces může mít čistý efekt odstraňování uhlíku pouze tehdy, pokud jsou jeho energetické a materiálové vstupy dostatečně nízkouhlíkové a minerál se rozpouští dostatečně rychle, aby tyto vstupy vykompenzoval.

Stejně důležitý jako mikrobiální zásah proto bude výběr lokality a konstrukce celého provozu. Perspektivní systém by potřeboval vhodný zdroj minerálu i mořskou vodu v rozumné blízkosti, elektřinu s nízkými emisemi, co nejmenší potřebu drcení a čerpání a spolehlivou metodu, která odliší nově odstraněný atmosférický CO₂ od uhlíku, jenž by oceán pohltil přirozenými procesy.

Jak by šlo technologii rozšířit

Otevřené nebo částečně uzavřené bazény

Tým označil otevřené či částečně uzavřené bazény s mořskou vodou za možnou levnější alternativu k plně řízeným bioreaktorům. Přirozené proudění vody a mořské podmínky by mohly snížit některé nároky na infrastrukturu a čerpání.

Cena za to by však byla menší kontrola nad procesem. Každý otevřený systém by musel řešit osud geneticky upravených buněk a sideroforů, jejich ředění, konkurenci původních mikroorganismů, potřebu živin, biologické zabezpečení, ekologické dopady a průběžné ověřování dodatečné alkality i odstranění CO₂. Tyto otázky jsou obzvlášť důležité proto, že se Alteromonas v mořském prostředí vyskytuje široce. 1718

Minerály dostupné v daném regionu

Olivín je vhodný pro demonstraci chemického principu, ale ne všude musí být nejlevnější surovinou. Budoucí systémy by mohly zkoumat lokálně dostupné materiály bohaté na silikáty, včetně některých důlních odpadů nebo průmyslových vedlejších produktů. Rozhodující by byly jejich minerální složení, případné kontaminanty, nároky na dopravu a rychlost rozpouštění.

Levnější materiál ale automaticky neznamená lepší materiál pro odstraňování uhlíku. Do hodnocení by bylo nutné zahrnout těžbu, drcení, uvolňování stopových kovů i emise z přepravy.

Získávání kovů jako vedlejší produkt

Siderofory mobilizují železo a mohou působit i na další kovy. Proces by tak v budoucnu mohl spojit odstraňování uhlíku se získáváním cenných prvků z vhodných minerálních surovin. To by mohlo zlepšit ekonomiku projektu, zároveň by však přineslo další požadavky na separaci, čištění, kontrolu kontaminace a povolování. Dodané podklady tuto možnost podporují jako budoucí příležitost, nikoli jako ověřený komerční zdroj příjmů.

Co stále není vyřešeno

Než by se tento přístup mohl posunout od kontrolovaných demonstrací k širšímu nasazení, bude potřeba zjistit:

• zda upravená vlastnost zůstane stabilní při dlouhodobém kontinuálním provozu;
• jak se kmen zachová ve složitých společenstvech přirozené mořské vody;
• jak lze geneticky upravené buňky a siderofory zadržet nebo odstranit;
• jaká bude uhlíková náročnost a cena živin i elektřiny;
• zda různé minerály neuvolňují problematické kovy nebo jiné kontaminanty; a
• jak lze nezávisle měřit dodatečnou alkalitu a trvalé odstranění atmosférického CO₂.

Uváděné zvýšení rozpouštění o 2,6násobek a pilotní výsledek 0,5 gramu CO₂ denně je proto nejlepší chápat jako rané technické ukazatele. Dodané zdroje potvrzují hlavní premisu projektu – tedy úpravu A. macleodii pro zvýšenou tvorbu sideroforů s cílem podpořit mořské odstraňování uhlíku –, neobsahují však celý článek v časopise Nature Biotechnology ani dostatek podrobností k nezávislému přepočtu metod a předpokladů analýzy životního cyklu. 23

Širší poučení je jednoduché: mikrobiální inženýrství může pomoci odemknout potenciál zvětrávání minerálů, samo o sobě ale nezaručí čisté odstranění uhlíku. Rozhodující bude, zda celý systém dokáže s nízkouhlíkovou energií zpracovávat dostatek vhodných minerálů a současně zůstane zabezpečený, měřitelný a přijatelný z hlediska životního prostředí.