Voivatko geenimuokatut bakteerit tehdä oliviinista hiilensidontatyökalun?

Geenimuokattu meribakteeri voisi tulevaisuudessa auttaa tehostamaan mineraalien rapautumista merivedessä – ja siten poistamaan ilmakehästä hiilidioksidia. Ajatus yhdistää synteettisen biologian niin sanottuun tehostettuun merelliseen silikaattirapautumiseen.

Tutkijat muokkasivat meressä yleisesti esiintyvää Alteromonas macleodii -bakteeria tuottamaan sideroforeja eli rautaa sitovia molekyylejä myös silloin, kun rauta ei enää ollut bakteerille niukkaa. Tavoitteena oli estää oliviinin pinnalle muodostuva rautaoksidikerros, joka hidastaa mineraalin liukenemista. 2

Miten bakteeri nopeuttaa oliviinin rapautumista?

Oliviinin kaltaiset silikaattimineraalit liukenevat merivedessä. Prosessi voi lisätä meriveden alkaliteettia ja edistää ilmakehän hiilidioksidin muuttumista liuenneeksi bikarbonaatiksi. Wyss Institute kuvaa tätä laajempaa lähestymistapaa bioperäiseksi rapautumiseksi, jolla pyritään tehostamaan hiilen talteenottoa. 3

Ongelma syntyy oliviinin liuetessa: mineraalipinnalta vapautuva rauta voi hapettua ja muodostaa suhteellisen kestävän pinnoitteen. Tämä niin sanottu passivoiva kerros vaikeuttaa meriveden pääsyä tuoreelle mineraalipinnalle.

Sideroforit sitovat rautaa ja auttavat pitämään sen liuenneessa muodossa. Käytännössä ne voivat siis poistaa rautaoksidikerrosta – ikään kuin puhdistaa oliviinin pinnan ruosteesta – jotta rapautuminen voi jatkua.

Normaalisti A. macleodii vähentää sideroforien tuotantoa, kun solu havaitsee saavansa riittävästi rautaa. Raportoidussa strategiassa tämä raudan saatavuuteen perustuva säätely irrotettiin sideroforien tuotannosta. Näin syntyi kanta, jonka oli tarkoitus tuottaa molekyylejä paljon enemmän ja jatkuvammin. Saatavilla oleva aineisto ei kuitenkaan kerro tarkasti, mitä geenejä tai säätelyjaksoja muokattiin. Siksi muutosta on täsmällisintä kuvata raudansäätelyn uudelleenohjelmointina, ei tiettynä yksittäisenä geenirakenteena.

Alteromonas on tähän tarkoitukseen periaatteessa sopiva merellinen isäntäorganismi, sillä suvun bakteereita esiintyy laajasti merivedessä sekä pintakerroksissa että syvemmällä. 1718

Bioreaktorikokeissa nähtiin varhainen läpimurto

Tutkimuksessa muokattua bakteeria testattiin jatkuvatoimisissa, merivedellä syötetyissä eVOLVER-reaktoreissa. Tämän jälkeen järjestelmää kokeiltiin pilottimittakaavan kivi–merivesi-bioreaktorissa.

Tutkimusyhteenvedon mukaan geenimuokattu järjestelmä lisäsi oliviinin liukenemista noin 2,6-kertaiseksi verrattuna asiaankuuluviin kontrolliolosuhteisiin. Pilottijärjestelmässä ilmakehän CO₂:ta poistui noin 0,5 grammaa päivässä.

Tulokset ovat ennen kaikkea toimivuuden osoitus: geenimuokattujen mikrobien aiheuttama raudan sitominen voitiin yhdistää mineraalien rapautumiseen hallitussa merellisessä prosessissa. Ne eivät vielä kerro, kuinka paljon hiiltä voitaisiin poistaa yhtä mineraalitonnia, energiayksikköä tai vesimäärää kohti kaupallisessa mittakaavassa. Kokeet eivät myöskään osoita, että muokatun bakteerin vapauttaminen mereen olisi turvallista tai tehokasta.

Elinkaari ratkaisee, onko hiilenpoisto aidosti hyödyllistä

Geenimuokkaus on vain yksi osa järjestelmää. Jotta menetelmän ilmastovaikutusta voitaisiin arvioida uskottavasti, mukaan on laskettava koko elinkaari:

• oliviinin tai muun silikaattiraaka-aineen louhinta ja murskaus;
• mineraalin kuljetus käsittelypaikalle;
• reaktoreiden, altaiden tai muiden rakenteiden rakentaminen ja käyttö;
• meriveden pumppaus ja käsittely;
• bakteerien ylläpito sekä ravinteiden ja energian hankinta; ja
• tuotteiden erottelu sekä poistetun hiilen seuranta ja todentaminen.

Saatavilla olevan yhteenvedon mukaan johtopäätös on ehdollinen: järjestelmä voi poistaa nettohiiltä vain, jos sen energia- ja materiaalipanokset ovat riittävän vähäpäästöisiä ja mineraali liukenee tarpeeksi nopeasti kompensoidakseen prosessin aiheuttamat päästöt.

Tämä tekee sijoituspaikasta ja prosessisuunnittelusta yhtä tärkeitä kuin bakteerin muokkauksesta. Toimiva laitos tarvitsisi todennäköisesti läheltä saatavaa mineraaliraaka-ainetta ja merivettä, vähäpäästöistä sähköä sekä mahdollisimman vähän murskausta ja pumppausta. Lisäksi olisi pystyttävä erottamaan uusi ilmakehästä poistettu CO₂ siitä hiilestä, jonka merivesi olisi sitonut normaalin kemiansa kautta.

Miten järjestelmää voitaisiin laajentaa?

Avoimet tai puoliavoimet merivesialtaat

Tutkijat ovat nostaneet esiin avoimet tai puoliavoimet altaat mahdollisena edullisempana vaihtoehtona täysin hallituille bioreaktoreille. Luonnollinen meriveden virtaus ja merelliset olosuhteet voisivat vähentää osaa rakenteiden ja pumppauksen tarpeesta.

Hinta olisi kuitenkin pienempi hallittavuus. Avoimessa järjestelmässä pitäisi ratkaista muokattujen solujen ja sideroforien kohtalo, laimeneminen, kilpailu luonnoneliöiden kanssa, ravinteiden tarve, leviämisen estäminen sekä mahdolliset ekologiset vaikutukset. Myös ylimääräisen alkaliteetin ja todellisen CO₂-poiston jatkuva todentaminen olisi vaikeaa. Haaste korostuu, koska Alteromonas-suku on yleinen merellisissä ympäristöissä. 1718

Paikalliset mineraaliraaka-aineet

Oliviini sopii kemiallisesti menetelmän demonstraatioon, mutta se ei välttämättä ole kaikkialla taloudellisin raaka-aine. Tulevissa tutkimuksissa voitaisiin arvioida paikallisesti runsaita silikaattipitoisia materiaaleja, kuten joitakin kaivannaisjätteitä tai teollisuuden sivutuotteita.

Niiden soveltuvuus riippuisi mineraalikoostumuksesta, epäpuhtauksista, kuljetustarpeesta ja liukenemisnopeudesta. Halvempi materiaali ei automaattisesti ole parempi hiilenpoistoon: louhinta, murskaus, mahdollisten metallien vapautuminen ja kuljetusten päästöt on kaikki huomioitava.

Metallien talteenotto sivutuotteena

Sideroforit voivat mobilisoida rautaa ja vaikuttaa myös muihin metalleihin. Siksi tulevaisuudessa sama prosessi voisi mahdollisesti yhdistää hiilenpoiston ja arvokkaiden alkuaineiden talteenoton sopivista mineraaliraaka-aineista.

Tällainen sivutuote voisi parantaa taloudellista kannattavuutta, mutta kyse on vasta tulevaisuuden mahdollisuudesta, ei osoitetusta kaupallisesta tulovirrasta. Metallien talteenotto toisi mukanaan lisäerotuksia, puhdistusta, saastumisriskejä ja lupavaatimuksia.

Kriittiset kysymykset ovat vielä avoinna

Ennen kuin menetelmä voisi edetä hallituista kokeista laajempaan käyttöön, tutkijoiden pitäisi selvittää muun muassa:

• säilyykö geenimuokattu ominaisuus vakaana pitkän jatkuvan käytön aikana;
• miten bakteeri toimii monimuotoisissa luonnon merivesiyhteisöissä;
• miten muokatut solut ja sideroforit voidaan pitää hallinnassa tai poistaa;
• kuinka paljon ravinteet ja sähkö kuluttavat energiaa ja aiheuttavat päästöjä;
• vapautuuko eri mineraaleista haitallisia metalleja tai muita epäpuhtauksia; ja
• miten ylimääräinen alkaliteetti ja pysyvä ilmakehän CO₂-poisto voidaan mitata riippumattomasti.

Raportoidut 2,6-kertainen liukenemisen nopeutuminen ja 0,5 gramman päivittäinen pilottitulos ovatkin parasta tulkita varhaisiksi teknisiksi vertailuarvoiksi. Saatavilla olevat lähteet tukevat hankkeen perusideaa: A. macleodii -bakteeri muokattiin tuottamaan enemmän sideroforeja merellistä hiilenpoistoa varten. Aineisto ei kuitenkaan sisällä koko Nature Biotechnology -artikkelia eikä riittävästi yksityiskohtia elinkaariarvioinnin menetelmien ja oletusten itsenäiseen tarkistamiseen. 23

Laajempi opetus on selvä: mikrobien geenimuokkaus voi auttaa avaamaan mineraalien rapautumisen pullonkauloja, mutta se ei yksin takaa nettohiilenpoistoa. Ratkaisevaa on, pystyykö koko järjestelmä käsittelemään runsaasti saatavilla olevia sopivia mineraaleja vähäpäästöisellä energialla niin, että prosessi on hallittu, mitattavissa ja ympäristön kannalta hyväksyttävä.