Kan genmodifiserte bakterier få havet til å fjerne mer CO₂?

En bakterie som ikke slår av jernproduksjonen

Ideen kombinerer syntetisk biologi med såkalt forsterket marin silikatforvitring. Forskere har genmodifisert den marine bakterien Alteromonas macleodii slik at den fortsetter å produsere sideroforer – molekyler som binder jern – også etter at jern ikke lenger er en mangelvare. Målet er å hindre at olivin dekkes av et lag med jernoksid som bremser videre oppløsning. 2

Når silikatmineraler som olivin løses opp i sjøvann, kan alkaliteten i vannet øke. Det legger til rette for at atmosfærisk karbondioksid bindes som oppløst bikarbonat. Wyss Institute ved Harvard beskriver denne bredere prosessen som biologisk forvitring for forsterket karbonfangst. 3

I et normalt system reduseres sideroforproduksjonen når bakterien registrerer at den har tilgang på nok jern. Den rapporterte strategien var å koble produksjonen fri fra denne jernstyrte tilbakekoblingen. Resultatet skulle være en bakteriestamme som produserer langt større og mer vedvarende mengder av molekylene. 2

Materialet som er tilgjengelig her, oppgir ikke hvilke konkrete gener eller regulatoriske DNA-sekvenser som ble endret. Det er derfor mer presist å beskrive inngrepet som en omprogrammering av den jernresponsive kontrollen enn å hevde at forskerne brukte en bestemt genetisk konstruksjon.

Slik kan sideroforene «avruste» olivinen

Olivin frigjør jern når mineralet løses opp. Ved kontakt med oksygen kan jernet oksidere og danne et forholdsvis motstandsdyktig belegg på mineraloverflaten. Dette belegget fungerer som en brems: Sjøvannet får vanskeligere tilgang til fersk olivin.

Sideroforer binder jernet og bidrar til å holde det i løsning. På den måten kan de fjerne, eller nærmest «avrustе», overflaten og gjøre det mulig for sjøvann å reagere med nytt olivin. Medlemmene av slekten Alteromonas finnes bredt i sjøvann, både nær overflaten og i dypere marine miljøer, noe som gjør bakterien til en plausibel mikrobiologisk plattform for en slik tilnærming. 1718

Hva bioreaktorene viste

Forskerne testet bakterien i kontinuerlig drevne, sjøvannsforsynte eVOLVER-reaktorer. Deretter ble systemet prøvd ut i en pilotstor bioreaktor med bergart og sjøvann.

Ifølge studiesammendraget økte den genmodifiserte løsningen olivinoppløsningen med omtrent 2,6 ganger sammenlignet med de relevante kontrollbetingelsene. I pilotoppsettet ble det rapportert fjernet rundt 0,5 gram atmosfærisk CO₂ per dag.

Dette er et teknisk bevis på at man kan koble mikrobiell jernbinding til forsterket forvitring av mineraler i et kontrollert marint system. Resultatene viser derimot ikke hvor mye karbon som kan fjernes per kilo mineral, per energienhet eller per liter behandlet sjøvann ved kommersiell drift. De viser heller ikke at det vil være trygt eller effektivt å slippe bakterien ut i havet.

Hele livsløpet avgjør om karbonregnskapet går i pluss

Genmodifiseringen er bare én del av et mulig karbonfjerningssystem. Et troverdig klimaregnskap må ta med utslipp og ressursbruk gjennom hele prosessen, blant annet:

• utvinning og knusing av olivin eller andre silikatmaterialer;
• transport av mineralet til behandlingsanlegget;
• bygging og drift av reaktorer, tanker eller bassenger;
• pumping og behandling av sjøvann;
• næringsstoffer og energi til å dyrke eller vedlikeholde bakteriene; og
• separasjon av produkter samt overvåking og dokumentasjon av karbonfjerningen.

Den oppgitte oppsummeringen beskriver konklusjonen fra livsløpsanalysen som betinget: Prosessen kan gi netto karbonfjerning dersom energien og materialinnsatsen har lave utslipp, og mineralet løses opp raskt nok til å oppveie utslippene fra resten av systemet.

Det gjør valg av sted og utforming av anlegget minst like viktig som bakterieingeniørkunsten. Et fungerende system vil trolig måtte ligge nær egnede mineralressurser og sjøvann, bruke strøm med lave utslipp og begrense behovet for knusing og pumping. I tillegg må forskerne kunne skille ny fjerning av atmosfærisk CO₂ fra karbon som sjøvannet uansett ville ha tatt opp gjennom vanlig kjemi.

Mulige veier videre

Åpne eller delvis lukkede sjøvannsbassenger

Forskerne peker på åpne eller delvis innesluttede bassenger som et mulig rimeligere alternativ til fullt kontrollerte reaktorer. Naturlig vannstrøm og marine forhold kan redusere behovet for infrastruktur og pumping.

Prisen for lavere kostnader er mindre kontroll. Et åpent system må håndtere hva som skjer med genmodifiserte celler og sideroforer, fortynning, konkurranse fra naturlige organismer, næringsbehov, inneslutning og mulige økologiske effekter. Det må også kunne dokumentere at den målte økningen i alkalitet faktisk fører til ekstra og varig fjerning av CO₂.

Dette er særlig viktig fordi Alteromonas forekommer bredt i marine miljøer. 1718

Mineraler som finnes lokalt

Olivin er nyttig for å demonstrere kjemien, men er ikke nødvendigvis det billigste eller mest tilgjengelige råstoffet overalt. Fremtidige systemer kan undersøke lokalt tilgjengelige silikatrike materialer, blant annet enkelte gruveavgangsmasser eller industrielle biprodukter.

Forutsetningen er at mineralogi, eventuelle forurensninger, transportbehov og oppløsningshastighet samlet gir et gunstig livsløpsregnskap. Et billigere materiale er ikke automatisk et bedre karbonfjerningsmateriale. Utvinning, knusing, utslipp av spormetaller og transport må også regnes med.

Mulig gjenvinning av metaller

Sideroforer mobiliserer jern og kan påvirke andre metaller. På lengre sikt kan prosessen derfor kanskje kombineres med utvinning av verdifulle grunnstoffer fra egnede mineralråstoffer.

Det kan styrke økonomien, men vil samtidig kreve mer separasjon og rensing – og føre til nye spørsmål om forurensning, tillatelser og produktkvalitet. Det tilgjengelige materialet støtter dette som en mulig fremtidig mulighet, ikke som en dokumentert kommersiell inntektskilde.

Spørsmålene som fortsatt står åpne

Før teknologien kan bevege seg fra kontrollerte demonstrasjoner til større anlegg, må forskerne blant annet finne ut:

• om den genmodifiserte egenskapen holder seg stabil under langvarig, kontinuerlig drift;
• hvordan bakteriestammen oppfører seg i komplekse, naturlige sjøvannssamfunn;
• hvordan bakterier og sideroforer kan holdes tilbake eller fjernes;
• hvor store klima- og kostnadsbelastninger næringsstoffer og strøm medfører;
• om ulike mineraler frigjør problematiske metaller eller andre forurensninger; og
• hvordan den ekstra alkaliteten og den varige fjerningen av atmosfærisk CO₂ kan måles uavhengig.

Resultatene på 2,6 ganger høyere oppløsning og 0,5 gram CO₂ per dag bør derfor først og fremst forstås som tidlige tekniske målestokker. De oppgitte kildene støtter hovedideen – å få A. macleodii til å produsere mer siderofor for marin karbonfjerning – men materialet inneholder ikke hele Nature Biotechnology-artikkelen eller nok detaljer til å rekonstruere livsløpsanalysens metoder og forutsetninger uavhengig. 23

Den viktigste lærdommen er at mikrobiell ingeniørkunst kan bidra til å få mineralforvitring til å gå raskere. Men bakterien alene garanterer ikke netto karbonfjerning. Den avgjørende testen blir om hele systemet kan behandle store mengder egnede mineraler med lavutslippsenergi, samtidig som det er innesluttet, målbart og miljømessig akseptabelt.