כך חיידקים מהונדסים עשויים להפוך אוליבין לכלי ללכידת פחמן

הרעיון משלב ביולוגיה סינתטית עם בליה מואצת של מינרלי סיליקט בים. החוקרים הנדסו את החיידק הימי Alteromonas macleodii כך שימשיך לייצר סידרופורים — מולקולות שנקשרות לברזל — גם לאחר שהברזל כבר אינו מצוי במחסור. המטרה היא למנוע מהאוליבין להתכסות בשכבת תחמוצת ברזל שמאטה את המשך פירוקו. 2

כאשר מינרלי סיליקט כמו אוליבין מתמוססים במי ים, הם עשויים להעלות את הבסיסיות שלהם ולסייע בהפיכת פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה לביקרבונט מומס. במכון Wyss מתארים את התהליך הרחב יותר כ"בליה ביולוגית" שנועדה להגביר לכידת פחמן. 3

מה שונה בחיידק?

במערכת טבעית, ייצור הסידרופורים נשלט על ידי רמת הברזל: כאשר התא מזהה שיש מספיק ברזל, הייצור פוחת. לפי התיאור שסופק, החוקרים ניתקו את ייצור הסידרופורים ממנגנון המשוב הזה, ויצרו זן שאמור להפיק כמויות גבוהות ורציפות יותר של המולקולות. 2

החומרים שסופקו אינם מפרטים אילו גנים או רצפים רגולטוריים שונו. לכן מדויק יותר לתאר את ההתערבות כתכנות מחדש של הבקרה המגיבה לברזל, ולא לטעון שנעשה שימוש במבנה גנטי מסוים.

השינוי נועד להתמודד עם צוואר בקבוק מרכזי בפירוק האוליבין. בזמן שהמינרל מתמוסס, ברזל שמשתחרר מפני השטח שלו עלול להתחמצן וליצור ציפוי עמיד יחסית. הסידרופורים נקשרים לברזל ושומרים אותו בתמיסה, ובכך למעשה "מסירים חלודה" מהמשטח ומאפשרים למי הים להמשיך להגיב עם אוליבין טרי.

הסוג Alteromonas מתאים לכאורה כפלטפורמה ימית, משום שמינים מהסוג נפוצים במי ים — הן בסביבת פני הים והן בעומקים גדולים יותר. 1718

מה הראו הניסויים בכורים?

המערכת נבחנה בכורי eVOLVER שפעלו באופן רציף והוזנו במי ים, ולאחר מכן בכור ניסויי בקנה מידה פיילוט ששילב סלע ומי ים. לפי סיכום המחקר שסופק, החיידק המהונדס הגדיל את קצב פירוק האוליבין פי 2.6 בהשוואה לתנאי הבקרה הרלוונטיים, ובמערכת הפיילוט סולקו כ-0.5 גרם פחמן דו-חמצני אטמוספרי ביום.

התוצאות מדגימות עיקרון הנדסי: אפשר לשלב קשירת ברזל באמצעות מיקרואורגניזמים מהונדסים עם בליה מואצת של מינרלים בסביבה ימית. עם זאת, הן אינן מראות כמה פחמן יסולק עבור כל טון מינרל, יחידת אנרגיה או כמות מי ים בתהליך מסחרי. הן גם אינן מוכיחות ששחרור החיידק המהונדס לאוקיינוס יהיה בטוח או יעיל.

המבחן האמיתי: מאזן מחזור החיים

השינוי הגנטי הוא רק רכיב אחד במערכת לסילוק פחמן. כדי לבדוק אם התהליך אכן מפחית פליטות נטו, צריך להביא בחשבון את כל שלבי מחזור החיים, ובהם:

• כרייה וריסוק של אוליבין או של חומר גלם סיליקטי אחר;
• הובלת המינרל לאתר הטיפול;
• בנייה והפעלה של כורים, מכלים או אגנים;
• שאיבה ועיבוד של מי ים;
• אספקת חומרי הזנה וגידול או תחזוקה של החיידקים; וכן
• הפרדת תוצרים ומעקב אחר כמות הפחמן שסולקה בפועל.

המסקנה שתוארה בסיכום שסופק היא מותנית: התהליך יכול להיות מסלק פחמן נטו רק אם תשומות האנרגיה והחומרים שלו דלות מספיק בפחמן, ואם המינרל מתמוסס במהירות שתאפשר לקזז את הפליטות הנלוות.

לכן בחירת האתר ותכנון התהליך חשובים לא פחות מההנדסה המיקרוביאלית. מערכת מעשית תצטרך, ככל הנראה, גישה קרובה למשאבי מינרלים מתאימים ולמי ים, חשמל דל-פחמן, צורך מוגבל בריסוק ובשאיבה, ושיטה שתבדיל בין CO₂ אטמוספרי שסולק בזכות התהליך לבין פחמן שהיה נספג במי הים גם בתנאים טבעיים.

איך אפשר להתרחב?

אגנים פתוחים או סגורים למחצה

הצוות הצביע על אגנים פתוחים או סגורים למחצה כחלופה אפשרית וזולה יותר מכורים בשליטה מלאה. זרימת מי ים טבעית ותנאים ימיים קיימים עשויים להפחית חלק מדרישות התשתית והשאיבה.

המחיר הוא ירידה בשליטה. כל מערכת פתוחה תצטרך להתמודד עם גורל החיידקים המהונדסים והסידרופורים, דילול, תחרות עם מיקרואורגניזמים טבעיים, דרישה לחומרי הזנה, בידוד, השפעות אקולוגיות ואימות רציף של העלייה בבסיסיות ושל סילוק ה-CO₂. האתגרים האלה משמעותיים במיוחד משום ש-Alteromonas נפוץ בסביבות ימיות רבות. 1718

בחירת חומר גלם מקומי

אוליבין נוח להדגמת הכימיה, אך לא בהכרח יהיה חומר הגלם המשתלם ביותר בכל מקום. מערכות עתידיות עשויות לבחון חומרים עשירים בסיליקט הזמינים מקומית, ובהם פסולת כרייה מסוימת או תוצרי לוואי תעשייתיים — בתנאי שהמינרלוגיה, המזהמים, דרישות ההובלה וקצב הפירוק שלהם יניבו מאזן חיובי במחזור החיים.

חומר זול יותר אינו בהכרח חומר טוב יותר לסילוק פחמן. יש להביא בחשבון גם את הפקתו, ריסוקו, שחרור מתכות קורט ופליטות ההובלה שלו.

הפקת מתכות כתוצר נלווה

מכיוון שסידרופורים מניידים ברזל ויכולים לקיים אינטראקציות עם מתכות נוספות, ייתכן שבעתיד ניתן יהיה לשלב את סילוק הפחמן עם הפקת יסודות בעלי ערך מחומרי גלם מינרליים מתאימים. מהלך כזה עשוי לשפר את הכלכלה של התהליך, אך יוסיף דרישות להפרדה, לטיהור, למניעת זיהום ולקבלת היתרים. הראיות שסופקו מציגות זאת כהזדמנות עתידית — לא כמקור הכנסה מסחרי שהוכח.

השאלות שעדיין פתוחות

לפני שאפשר יהיה לעבור מהדגמות מבוקרות ליישום רחב, החוקרים יצטרכו לבדוק:

• האם התכונה המהונדסת נשארת יציבה בהפעלה רציפה וממושכת;
• כיצד הזן מתנהג בקהילות מורכבות של מי ים טבעיים;
• כיצד ניתן לבודד או לסלק את החיידקים והסידרופורים;
• מהי טביעת הרגל הפחמנית והעלות של חומרי ההזנה והחשמל;
• האם מינרלים שונים משחררים מתכות בעייתיות או מזהמים אחרים; וכן
• כיצד ניתן למדוד באופן עצמאי את תוספת הבסיסיות ואת סילוק ה-CO₂ האטמוספרי העמיד.

הגידול המדווח של פי 2.6 בקצב פירוק האוליבין והתוצאה של 0.5 גרם CO₂ ביום במערכת הפיילוט הם, בשלב זה, מדדי ביצוע הנדסיים מוקדמים. המקורות שסופקו תומכים בעיקרון המרכזי של הפרויקט — הנדסת A. macleodii לייצור מוגבר של סידרופורים לצורך סילוק פחמן בסביבה ימית — אך אינם כוללים את המאמר המלא ב-Nature Biotechnology או די פרטים לשחזור עצמאי של שיטות הניתוח ומניחי מחזור החיים. 23

המסקנה הרחבה יותר היא שהנדסה מיקרוביאלית עשויה לפתוח את הדרך לבליה מואצת של מינרלים, אך אינה מבטיחה לבדה סילוק פחמן נטו. המבחן המכריע יהיה האם המערכת השלמה תוכל לעבד כמויות גדולות של מינרלים מתאימים באמצעות אנרגיה דלת-פחמן — תוך שמירה על בידוד, מדידה אמינה וקבילות סביבתית.