Bakteri Rekayasa Mengubah Olivin Menjadi Alat Penyingkiran Karbon dari Laut

Gagasan ini menggabungkan biologi sintetis dengan pelapukan silikat laut yang ditingkatkan. Peneliti merekayasa bakteri laut Alteromonas macleodii agar tetap memproduksi siderofor—molekul yang mengikat besi—meski kadar besi di sekitarnya sudah tidak lagi rendah. Tujuannya adalah mencegah olivin tertutup lapisan oksida besi yang dapat memperlambat pelarutan berikutnya. 2

Ketika mineral silikat seperti olivin larut di air laut, proses tersebut dapat meningkatkan alkalinitas. Kondisi ini membantu mengubah karbon dioksida atmosfer menjadi bikarbonat terlarut. Wyss Institute menyebut pendekatan yang lebih luas ini sebagai bio-weathering, yakni pemanfaatan mikroorganisme untuk mempercepat pelapukan demi penangkapan karbon. 3

Bagaimana bakteri tersebut direkayasa?

Dalam sistem alami yang mengatur besi, produksi siderofor biasanya menurun ketika sel mendeteksi bahwa pasokan besi sudah mencukupi. Strategi yang dilaporkan dalam penelitian ini adalah memisahkan produksi siderofor dari umpan balik sensor besi tersebut. Hasilnya, tercipta galur bakteri yang dirancang untuk menghasilkan siderofor dalam jumlah jauh lebih tinggi dan secara lebih berkelanjutan. 2

Materi yang tersedia tidak menyebutkan secara rinci gen atau urutan regulator mana yang diubah. Karena itu, intervensi ini lebih tepat disebut sebagai pemrograman ulang kendali yang responsif terhadap besi, bukan dikaitkan dengan konstruksi genetik tertentu.

Perubahan itu menyasar salah satu hambatan utama dalam pelapukan olivin. Saat olivin larut, besi yang dilepaskan di permukaan mineral dapat teroksidasi dan membentuk lapisan yang relatif sulit ditembus. Siderofor mengikat besi tersebut dan membantu mempertahankannya dalam larutan. Secara sederhana, molekul ini membantu “menghilangkan karat” dari permukaan olivin sehingga air laut dapat terus bereaksi dengan mineral yang masih segar.

Pendekatan ini juga menggunakan mikroba yang secara ekologis relevan untuk lingkungan laut. Berbagai anggota genus Alteromonas tersebar luas di air laut, baik di perairan permukaan maupun laut dalam. 1718

Apa yang ditunjukkan oleh bioreaktor?

Penelitian tersebut menguji bakteri rekayasa dalam reaktor eVOLVER yang beroperasi secara kontinu dengan pasokan air laut. Sistem itu kemudian diuji lagi dalam bioreaktor batuan–air laut berskala percontohan.

Menurut ringkasan studi yang tersedia, sistem rekayasa tersebut meningkatkan pelarutan olivin sekitar 2,6 kali lipat dibandingkan kondisi kontrol yang relevan. Dalam pengujian skala percontohan, sistem itu dilaporkan menyingkirkan sekitar 0,5 gram CO₂ atmosfer per hari.

Hasil ini merupakan bukti prinsip bahwa pengikatan besi oleh mikroba rekayasa dapat dipadukan dengan pelapukan silikat laut yang ditingkatkan. Namun, angka tersebut belum menjawab berapa banyak karbon yang dapat disingkirkan untuk setiap satuan mineral, energi, air laut, atau biaya ketika teknologi diterapkan pada skala komersial.

Penelitian ini juga tidak membuktikan bahwa pelepasan bakteri rekayasa ke laut akan aman atau efektif. Pengujian dalam bioreaktor terkendali berbeda dari pengoperasian di ekosistem laut yang kompleks dan dinamis.

Mengapa analisis daur hidup sangat penting?

Modifikasi genetik hanyalah satu bagian dari keseluruhan sistem penyingkiran karbon. Penilaian yang kredibel harus menghitung emisi dan penggunaan sumber daya di seluruh proses, termasuk:

• penambangan dan penggilingan olivin atau bahan baku silikat lain;
• pengangkutan mineral ke lokasi pengolahan;
• pembangunan dan pengoperasian reaktor, tangki, atau kolam;
• pemompaan dan pemrosesan air laut;
• penyediaan nutrisi serta pemeliharaan atau pertumbuhan bakteri; dan
• pemisahan produk, pemantauan, serta verifikasi karbon yang berhasil disingkirkan.

Kesimpulan analisis daur hidup yang dijelaskan dalam materi sumber bersifat kondisional: proses ini hanya dapat menghasilkan penyingkiran karbon bersih jika masukan energi dan materialnya cukup rendah karbon, sementara mineralnya larut cukup cepat untuk mengimbangi emisi dari seluruh kegiatan tersebut.

Artinya, pemilihan lokasi dan rancangan proses sama pentingnya dengan rekayasa mikrobanya. Sistem yang layak kemungkinan membutuhkan sumber mineral dan air laut yang berdekatan, listrik rendah karbon, kebutuhan penggilingan serta pemompaan yang terbatas, dan metode akuntansi yang dapat membedakan CO₂ atmosfer yang baru disingkirkan dari karbon yang secara alami sudah terserap melalui kimia air laut.

Potensi pengembangan ke skala lebih besar

Kolam air laut terbuka atau semi-tertutup

Tim peneliti mengidentifikasi kolam terbuka atau semi-tertutup sebagai alternatif yang berpotensi lebih murah dibandingkan reaktor yang sepenuhnya terkendali. Aliran air laut alami dan kondisi laut setempat dapat mengurangi sebagian kebutuhan infrastruktur serta energi pemompaan.

Namun, keterbukaan itu mengurangi kendali atas sistem. Setiap penerapan di kolam terbuka harus menjawab persoalan nasib bakteri rekayasa dan siderofor, pengenceran, persaingan dengan organisme asli, kebutuhan nutrisi, penahanan, dampak ekologis, serta verifikasi terus-menerus atas peningkatan alkalinitas dan penyingkiran CO₂. Tantangan ini semakin penting karena Alteromonas tersebar luas di lingkungan laut. 1718

Memilih bahan mineral yang tersedia secara lokal

Olivin berguna untuk menunjukkan prinsip kimianya, tetapi belum tentu menjadi bahan baku paling ekonomis di semua wilayah. Sistem masa depan dapat mengevaluasi material kaya silikat yang tersedia secara lokal, termasuk sebagian tailing tambang atau produk samping industri—selama mineralogi, kandungan kontaminan, kebutuhan transportasi, dan laju pelarutannya menghasilkan neraca daur hidup yang menguntungkan.

Material yang lebih murah tidak otomatis menjadi bahan penyingkir karbon yang lebih baik. Biaya dan emisi dari ekstraksi, penghancuran, pelepasan logam jejak, serta transportasinya tetap harus diperhitungkan.

Pemulihan logam sebagai produk samping

Siderofor memobilisasi besi dan dapat berinteraksi dengan logam lain. Karena itu, pada masa depan, proses ini mungkin dipadukan dengan pemulihan unsur bernilai dari bahan mineral tertentu sambil meningkatkan alkalinitas dan menyingkirkan CO₂.

Pemasukan dari produk samping tersebut berpotensi memperbaiki keekonomian. Namun, pemulihan logam juga menambah kebutuhan pemisahan, pemurnian, pengendalian kontaminasi, dan perizinan. Berdasarkan bukti yang tersedia, hal ini masih merupakan peluang pengembangan, bukan sumber pendapatan komersial yang telah terbukti.

Pertanyaan yang masih harus dijawab

Sebelum pendekatan ini melampaui demonstrasi terkendali, peneliti perlu memastikan:

• apakah sifat rekayasa tetap stabil selama operasi kontinu jangka panjang;
• bagaimana galur tersebut berperilaku dalam komunitas air laut alami yang kompleks;
• bagaimana bakteri rekayasa dan siderofor dapat ditahan, dipisahkan, atau dihilangkan;
• berapa intensitas karbon dan biaya nutrisi serta listrik yang dibutuhkan;
• apakah mineral yang berbeda dapat melepaskan logam bermasalah atau kontaminan lain; dan
• bagaimana peningkatan alkalinitas serta penyingkiran CO₂ atmosfer yang tahan lama dapat diukur secara independen.

Dengan demikian, peningkatan pelarutan sebesar 2,6 kali lipat dan hasil percontohan 0,5 gram CO₂ per hari sebaiknya dipahami sebagai tolok ukur rekayasa tahap awal. Sumber yang tersedia mendukung premis utama proyek—merekayasa A. macleodii agar menghasilkan lebih banyak siderofor untuk membantu penyingkiran karbon di laut—tetapi tidak memuat makalah lengkap di Nature Biotechnology atau detail yang cukup untuk merekonstruksi metode dan asumsi analisis daur hidupnya secara independen. 23

Pelajaran besarnya: rekayasa mikroba mungkin membantu membuka jalan bagi pelapukan mineral yang lebih cepat, tetapi rekayasa tersebut tidak otomatis menjamin penyingkiran karbon bersih. Ujian penentunya adalah apakah seluruh sistem dapat memproses mineral yang melimpah dan sesuai dengan energi rendah karbon, sambil tetap terkendali, terukur, dan dapat diterima dari sisi lingkungan.