Sådan kan genmodificerede havbakterier fremskynde olivins optag af CO₂

En bakterie, der kan holde olivin fri for »rust«

Ideen kombinerer syntetisk biologi med såkaldt forbedret marin silikatforvitring. Forskerne har genmodificeret havbakterien Alteromonas macleodii, så den fortsætter med at producere sideroforer – molekyler, der binder jern – selv efter at jern ikke længere er en mangelvare. Målet er at forhindre, at olivin dækkes af et lag jernoxid, som ellers bremser den videre opløsning. 2

Når silikatmineraler som olivin opløses i havvand, kan de øge vandets alkalinitet. Det understøtter omdannelsen af atmosfærisk kuldioxid til opløst bicarbonat. Wyss Institute beskriver denne bredere proces som bioforvitring, der kan bruges til at styrke kulstoffjernelse. 3

Hvad forskerne ændrede

I et normalt jernreguleret system skruer bakterien ned for produktionen af sideroforer, når den registrerer, at der er tilstrækkeligt jern til rådighed. Den rapporterede strategi var at koble produktionen af sideroforer fra denne feedbackmekanisme, så bakterien i stedet er designet til at producere langt større og mere vedvarende mængder af stofferne. 2

Det rammer en vigtig flaskehals i olivins forvitring. Når olivin opløses, frigives jern ved mineralets overflade. Jernet kan oxideres og danne en forholdsvis modstandsdygtig belægning, som hæmmer den videre opløsning. Sideroforer binder jernet og hjælper med at holde det opløst i vandet. På den måde kan de »af-ruste« overfladen og blotlægge frisk olivin, som havvandet kan reagere med.

Alteromonas er i princippet en oplagt marin værtsorganisme, fordi slægten findes vidt udbredt i havvand – både nær overfladen og på større dybder. 1718

Det tilgængelige materiale identificerer ikke de præcise gener eller regulatoriske DNA-sekvenser, der blev ændret. Derfor er det mere præcist at beskrive indgrebet som en omprogrammering af den jernfølsomme regulering end at hævde, at forskerne brugte en bestemt genetisk konstruktion.

Hvad bioreaktorerne viste

Forsøget blev gennemført i kontinuerligt drevne, havvandsforsynede eVOLVER-reaktorer og derefter i en pilotanlægsskala med en bioreaktor, hvor sten og havvand blev behandlet sammen.

Ifølge det leverede studieresumé øgede det genmodificerede system olivins opløsning med cirka 2,6 gange sammenlignet med de relevante kontrolbetingelser. I pilotsystemet blev der samtidig fjernet omkring 0,5 gram atmosfærisk CO₂ om dagen.

Resultaterne er et teknologisk principbevis: De viser, at mikrobiel jernbinding kan kobles til mineralforvitring i et kontrolleret marint system. De viser derimod ikke, hvor meget CO₂ der kan fjernes pr. ton mineral, pr. energienhed eller pr. liter havvand ved kommerciel skala. De dokumenterer heller ikke, at det vil være sikkert eller effektivt at udsætte den genmodificerede bakterie direkte i havet.

Hele livscyklussen afgør klimaeffekten

Den genetiske ændring er kun én del af det samlede kulstoffjernelsessystem. En troværdig vurdering skal medregne udledninger og ressourceforbrug gennem hele processen, herunder:

• minedrift og formaling af olivin eller et andet silikatmateriale,
• transport af mineralet til behandlingsstedet,
• opførelse og drift af reaktorer, tanke eller bassiner,
• pumpning og behandling af havvand,
• levering af næringsstoffer samt dyrkning eller vedligeholdelse af bakterier, og
• separation af produkter og overvågning af den registrerede kulstoffjernelse.

Den leverede opsummering beskriver konklusionen fra livscyklusvurderingen som betinget: Processen kan kun give en nettokulstoffjernelse, hvis energi- og materialeforbruget er tilstrækkeligt klimavenligt, og mineralet opløses hurtigt nok til at opveje udledningerne fra resten af systemet.

Det gør valg af placering og procesdesign lige så vigtigt som selve bakterieudviklingen. Et levedygtigt system vil sandsynligvis have brug for adgang til egnede mineralressourcer og havvand, elektricitet med lave udledninger samt et begrænset behov for formaling og pumpning. Derudover skal målemetoder kunne skelne mellem nyt optag af atmosfærisk CO₂ og det kulstof, som havvand under alle omstændigheder ville have optaget gennem naturlig kemi.

Mulige veje til opskalering

Åbne eller delvist lukkede havvandsbassiner

Forskerne har peget på åbne eller delvist lukkede bassiner som et muligt billigere alternativ til fuldt kontrollerede reaktorer. Naturlig vandbevægelse og marine forhold kan i princippet mindske behovet for infrastruktur og pumpning.

Til gengæld bliver kontrollen vanskeligere. Et åbent system skal håndtere de genmodificerede cellers og sideroforernes skæbne, fortynding, konkurrence fra naturlige organismer, behovet for næringsstoffer, indeslutning, økologiske effekter og løbende dokumentation af ekstra alkalinitet og CO₂-fjernelse. Det er særligt relevant, fordi Alteromonas forekommer bredt i havmiljøer. 1718

Lokalt tilgængelige mineraler

Olivin er velegnet til at demonstrere kemien, men er ikke nødvendigvis det mest økonomiske råmateriale overalt. Fremtidige systemer kan undersøge lokalt tilgængelige, silikatrige materialer, herunder visse mineaffaldsprodukter eller industrielle biprodukter. Det kræver dog, at mineralogi, forurening, transportbehov og opløsningshastighed tilsammen giver et positivt resultat i livscyklusregnskabet.

Et billigere materiale er ikke automatisk et bedre materiale til kulstoffjernelse. Udvinding, knusning, frigivelse af spormetaller og transportudledninger skal alle indgå i vurderingen.

Udvinding af metaller som muligt biprodukt

Sideroforer mobiliserer jern og kan interagere med andre metaller. På længere sigt kan processen derfor måske kombineres med udvinding af værdifulde grundstoffer fra egnede mineraler. Det kan forbedre økonomien, men vil også skabe ekstra krav til separation, rensning, håndtering af forurening og myndighedsgodkendelser. Den tilgængelige dokumentation understøtter dette som en fremtidig mulighed – ikke som en dokumenteret kommerciel indtægtskilde.

De vigtigste ubesvarede spørgsmål

Før metoden kan bevæge sig ud over kontrollerede demonstrationer, skal forskerne blandt andet undersøge:

• om den genmodificerede egenskab forbliver stabil under langvarig, kontinuerlig drift,
• hvordan bakteriestammen fungerer i komplekse naturlige havvandssamfund,
• hvordan genmodificerede celler og sideroforer kan indesluttes eller fjernes,
• hvor store klimaaftryk næringsstoffer og elektricitet har,
• om forskellige mineraler frigiver problematiske metaller eller andre forurenende stoffer, og
• hvordan ekstra alkalinitet og varig fjernelse af atmosfærisk CO₂ kan måles uafhængigt.

Tallet på 2,6 gange større opløsning og pilotresultatet på 0,5 gram CO₂ om dagen bør derfor først og fremmest ses som tidlige tekniske nøgletal. De leverede kilder bekræfter projektets centrale idé – at A. macleodii er blevet konstrueret til at producere flere sideroforer med henblik på marin kulstoffjernelse – men indeholder ikke hele artiklen i Nature Biotechnology eller tilstrækkelige detaljer til uafhængigt at genskabe metoderne og antagelserne i livscyklusanalysen. 23

Den overordnede lære er, at mikrobiel genmodificering kan gøre mineralforvitring mere effektiv. Det er dog ikke i sig selv en garanti for nettokulstoffjernelse. Den afgørende prøve bliver, om et komplet system kan behandle store mængder egnede mineraler med energi med lave udledninger – samtidig med at bakterierne holdes under kontrol, effekten kan måles, og miljøpåvirkningen er acceptabel.