Bolehkah bakteria terubah suai menjadikan olivin alat penyingkiran karbon?

Idea ini menggabungkan biologi sintetik dengan teknik mempercepat peluluhawaan mineral silikat di laut. Penyelidik mengubah suai bakteria marin Alteromonas macleodii supaya terus menghasilkan siderofor—molekul yang mengikat besi—walaupun besi tidak lagi berada pada tahap yang rendah. Matlamatnya adalah untuk menghalang olivin daripada diselaputi lapisan oksida besi yang boleh memperlahankan pelarutan seterusnya. 2

Apabila mineral silikat seperti olivin larut dalam air laut, proses itu boleh meningkatkan kealkalian air dan membantu menukar karbon dioksida atmosfera kepada bikarbonat terlarut. Wyss Institute menerangkan proses lebih luas ini sebagai peluluhawaan biologi untuk menangkap karbon yang dipertingkatkan. 3

Bagaimana bakteria itu direka bentuk?

Dalam sistem kawal selia besi yang normal, penghasilan siderofor akan berkurangan apabila sel mengesan bahawa bekalan besi sudah mencukupi. Strategi yang dilaporkan adalah untuk memutuskan kaitan antara penghasilan siderofor dengan maklum balas pengesanan besi itu. Hasilnya ialah strain bakteria yang direka untuk menghasilkan jumlah siderofor yang jauh lebih tinggi dan lebih berterusan. 2

Bahan yang dibekalkan tidak menyatakan gen atau jujukan kawal selia khusus yang diubah. Oleh itu, lebih tepat untuk menyifatkan intervensi ini sebagai pengaturcaraan semula kawalan respons terhadap besi, bukannya mendakwa pembinaan genetik tertentu.

Perubahan itu menyasarkan salah satu halangan utama dalam peluluhawaan olivin. Ketika olivin larut, besi yang dilepaskan pada permukaan mineral boleh teroksida dan membentuk lapisan yang agak sukar ditembusi. Siderofor mengikat besi dan membantu mengekalkannya dalam larutan, seolah-olah menanggalkan “karat” pada permukaan mineral supaya air laut boleh terus bertindak balas dengan olivin baharu.

Alteromonas dianggap sebagai organisma asas yang munasabah untuk pendekatan ini kerana ahli genus tersebut tersebar luas dalam air laut, termasuk di perairan permukaan dan laut dalam. 1718

Apa yang ditunjukkan oleh bioreaktor?

Eksperimen itu menguji bakteria terubah suai dalam reaktor eVOLVER yang beroperasi secara berterusan dan dialirkan dengan air laut, sebelum diteruskan dalam bioreaktor batuan–air laut berskala perintis.

Menurut ringkasan kajian yang dibekalkan, sistem terubah suai itu meningkatkan pelarutan olivin kira-kira 2.6 kali ganda berbanding keadaan kawalan yang berkaitan. Dalam sistem perintis, ia pula dilaporkan menyingkirkan kira-kira 0.5 gram CO₂ atmosfera sehari.

Dapatan ini menunjukkan bukti awal bahawa pengikatan besi oleh mikrob terubah suai boleh digabungkan dengan peluluhawaan mineral silikat marin. Namun, ia belum membuktikan jumlah karbon yang boleh disingkirkan bagi setiap unit mineral, tenaga atau air laut pada skala komersial. Ia juga tidak menunjukkan bahawa pelepasan bakteria terubah suai terus ke laut akan selamat atau berkesan.

Mengapa analisis kitar hayat sangat penting?

Pengubahsuaian genetik hanyalah satu bahagian daripada keseluruhan sistem penyingkiran karbon. Penilaian yang boleh dipercayai perlu mengambil kira pelepasan dan penggunaan sumber sepanjang proses, termasuk:

• melombong dan mengisar olivin atau bahan mentah silikat lain;
• mengangkut mineral ke lokasi rawatan;
• membina dan mengendalikan reaktor, tangki atau kolam;
• mengepam serta memproses air laut;
• membekalkan nutrien dan membiak atau mengekalkan bakteria; dan
• mengasingkan hasil serta memantau penyingkiran karbon yang terhasil.

Ringkasan yang dibekalkan menggambarkan kesimpulan analisis kitar hayat itu sebagai bersyarat: proses ini hanya boleh menghasilkan penyingkiran karbon bersih jika input tenaga dan bahannya cukup rendah karbon, manakala mineral pula larut dengan cukup pantas untuk mengimbangi pelepasan daripada input tersebut.

Ini menjadikan pemilihan lokasi dan reka bentuk proses sama penting dengan kejuruteraan mikrob. Sistem yang berdaya maju berkemungkinan memerlukan sumber mineral dan air laut yang berdekatan, elektrik rendah karbon, keperluan pengisaran serta pengepaman yang minimum, dan kaedah perakaunan yang dapat membezakan CO₂ atmosfera yang benar-benar disingkirkan daripada karbon yang sememangnya akan diserap melalui kimia air laut biasa.

Laluan yang mungkin untuk diperluas

Kolam air laut terbuka atau separa terkawal

Pasukan penyelidik mengenal pasti kolam terbuka atau separa terkawal sebagai alternatif yang berpotensi lebih murah berbanding reaktor yang dikawal sepenuhnya. Aliran air laut semula jadi dan keadaan marin boleh mengurangkan sebahagian keperluan infrastruktur serta tenaga pengepaman.

Pertukarannya ialah tahap kawalan yang lebih rendah. Sebarang sistem terbuka perlu menangani nasib sel terubah suai dan siderofor, pencairan, persaingan dengan organisma tempatan, keperluan nutrien, pembendungan, kesan ekologi, serta pengesahan berterusan terhadap peningkatan kealkalian dan penyingkiran CO₂. Cabaran ini amat penting kerana Alteromonas sememangnya tersebar luas dalam persekitaran marin. 1718

Bahan mineral yang tersedia secara tempatan

Olivin berguna untuk menunjukkan kimia proses tersebut, tetapi ia mungkin bukan bahan mentah paling ekonomik di semua lokasi. Sistem masa depan boleh menilai bahan kaya silikat yang banyak terdapat secara tempatan, termasuk sesetengah sisa lombong atau hasil sampingan industri, dengan syarat mineralogi, bahan cemar, keperluan pengangkutan dan kadar pelarutannya menghasilkan keputusan kitar hayat yang baik.

Bahan yang lebih murah tidak semestinya bahan penyingkiran karbon yang lebih baik. Kos perlombongan, penghancuran, pelepasan logam surih dan pelepasan daripada pengangkutan semuanya perlu dimasukkan dalam penilaian.

Pemulihan logam sebagai hasil sampingan

Oleh sebab siderofor menggerakkan besi dan boleh berinteraksi dengan logam lain, proses ini pada masa depan mungkin digabungkan dengan pemulihan unsur bernilai daripada bahan mineral yang sesuai. Langkah itu berpotensi memperbaiki ekonomi projek, tetapi turut menambah keperluan pengasingan, penulenan, kawalan pencemaran dan kelulusan peraturan.

Bukti yang tersedia hanya menyokongnya sebagai peluang masa depan, bukannya aliran pendapatan komersial yang telah terbukti.

Persoalan utama yang masih belum terjawab

Sebelum pendekatan ini boleh bergerak daripada demonstrasi terkawal ke penggunaan lebih luas, penyelidik perlu menentukan:

• sama ada ciri terubah suai itu kekal stabil sepanjang operasi berterusan yang panjang;
• bagaimana strain tersebut bertindak balas dalam komuniti air laut semula jadi yang kompleks;
• cara sel terubah suai dan siderofor boleh dibendung atau disingkirkan;
• intensiti karbon serta kos nutrien dan elektrik;
• sama ada mineral berbeza melepaskan logam atau bahan cemar yang bermasalah; dan
• cara peningkatan kealkalian serta penyingkiran CO₂ atmosfera yang tahan lama boleh diukur secara bebas.

Oleh itu, peningkatan pelarutan sebanyak 2.6 kali ganda dan hasil perintis 0.5 gram sehari wajar dianggap sebagai penanda aras kejuruteraan peringkat awal. Sumber yang dibekalkan mengesahkan premis utama projek—iaitu kejuruteraan A. macleodii untuk menghasilkan lebih banyak siderofor bagi penyingkiran karbon marin—tetapi tidak menyediakan makalah penuh Nature Biotechnology atau butiran mencukupi untuk membina semula kaedah dan andaian analisis kitar hayat secara bebas. 23

Pengajaran yang lebih besar ialah kejuruteraan mikrob mungkin membantu membuka potensi peluluhawaan mineral, tetapi ia tidak dengan sendirinya menjamin penyingkiran karbon bersih. Ujian penentu ialah sama ada keseluruhan sistem boleh memproses mineral yang banyak dan sesuai menggunakan tenaga rendah karbon, sambil kekal terkawal, boleh diukur dan boleh diterima dari sudut alam sekitar.