Genmodifierade havsbakterier kan påskynda olivins vittring i havet

Idén kombinerar syntetisk biologi med så kallad förbättrad marin silikatvittring. Forskarna genmodifierade havsbakterien Alteromonas macleodii så att den fortsätter att producera sideroforer – molekyler som binder järn – även när järn inte längre är en bristvara. Målet är att hindra olivin från att täckas av ett järnoxidskikt som annars bromsar den fortsatta upplösningen. 2

När silikatmineral som olivin löses upp i havsvatten kan alkaliniteten öka. Det gynnar omvandlingen av atmosfärisk koldioxid till löst bikarbonat. Wyss Institute beskriver den bredare processen som biologiskt förstärkt vittring för ökad koldioxidinfångning. 3

Så fungerar bakterieidén

I ett normalt järnreglerat system minskar produktionen av sideroforer när cellen känner av att det finns tillräckligt med järn. Den rapporterade strategin var att koppla loss sideroforproduktionen från denna återkoppling, så att en bakteriestam producerar betydligt större och mer kontinuerliga mängder av ämnena. 2

Det angriper en central broms i olivinvittringen. När olivin löses upp frigörs järn vid mineralytan. Järnet kan oxidera och bilda en relativt motståndskraftig beläggning som hindrar havsvattnet från att reagera med nytt olivin. Sideroforer binder järnet och hjälper till att hålla det löst i vattnet – i praktiken fungerar de som ett sätt att ”rosta av” ytan så att vittringen kan fortsätta.

Det tillgängliga underlaget anger inte exakt vilka gener eller regulatoriska DNA-sekvenser som ändrades. Det är därför mer korrekt att tala om en omprogrammering av den järnkänsliga regleringen än att hävda att forskarna använde en viss specifik genetisk konstruktion.

Alteromonas är i princip en plausibel marin värdorganism eftersom släktet finns utbrett i havsvatten, både nära ytan och på större djup. 1718

Vad bioreaktorerna visade

Arbetet testades först i kontinuerligt drivna, havsvattenmatade eVOLVER-reaktorer och därefter i en pilotreaktor för sten och havsvatten. Enligt den tillhandahållna studiesammanfattningen ökade det genmodifierade systemet olivins upplösning med cirka 2,6 gånger jämfört med relevanta kontrollförhållanden. I pilotanläggningen avlägsnades ungefär 0,5 gram atmosfärisk koldioxid per dag under de testade förhållandena.

Resultaten visar ett tekniskt principbevis: mikrobiell järnkelering kan kopplas samman med mineralvittring i en kontrollerad marin process. De visar däremot inte hur mycket koldioxid som kan avlägsnas per mängd mineral, energi eller havsvatten vid kommersiell skala. De visar inte heller att det skulle vara säkert eller effektivt att släppa ut den genmodifierade bakterien i havet.

Hela livscykeln avgör klimatnyttan

Den genetiska modifieringen är bara en del av systemet. En trovärdig bedömning måste räkna in utsläpp och resursanvändning genom hela processen, bland annat:

• brytning och malning av olivin eller ett annat silikatmaterial;
• transport av mineralet till behandlingsplatsen;
• byggande och drift av reaktorer, tankar eller bassänger;
• pumpning och behandling av havsvatten;
• näringstillförsel samt odling eller underhåll av bakterier; och
• separation av produkter och övervakning av den koldioxid som avlägsnas.

Den tillhandahållna sammanfattningen beskriver slutsatsen från livscykelanalysen som villkorad: processen kan ge ett nettoupptag av koldioxid endast om energi- och materialinsatserna har tillräckligt låga utsläpp och mineralet löses upp tillräckligt snabbt för att väga upp dem.

Det gör platsval och processdesign minst lika viktiga som bakterieutvecklingen. Ett fungerande system skulle sannolikt behöva ligga nära lämpliga mineralresurser och havsvatten, använda el med låga utsläpp och begränsa behovet av malning och pumpning. Dessutom krävs metoder som kan skilja nyupptagen atmosfärisk koldioxid från den koldioxid som havsvattnet ändå skulle ha tagit upp genom naturlig kemi.

Tre möjliga vägar till större skala

Öppna eller delvis slutna havsvattenbassänger

Forskarna pekade ut öppna eller delvis slutna bassänger som ett möjligt billigare alternativ till helt kontrollerade reaktorer. Naturligt vattenflöde och marina förhållanden kan minska behovet av viss infrastruktur och pumpning.

Nackdelen är sämre kontroll. Ett öppet system måste hantera vad som händer med de genmodifierade cellerna och sideroforerna, liksom utspädning, konkurrens från naturliga organismer, näringsbehov, inneslutning, ekologiska effekter och kontinuerlig verifiering av den extra alkaliniteten och koldioxidinfångningen. Frågorna är särskilt viktiga eftersom Alteromonas förekommer brett i marina miljöer. 1718

Lokala mineralråvaror

Olivin är användbart för att demonstrera kemin, men behöver inte vara den mest ekonomiska råvaran överallt. Framtida system kan behöva utvärdera lokalt rikliga silikatrika material, exempelvis vissa gruvavfall eller industriella biprodukter – förutsatt att mineralogi, föroreningar, transportbehov och upplösningshastighet ger ett gynnsamt resultat över hela livscykeln.

Ett billigare material är inte automatiskt ett bättre material för koldioxidinfångning. Brytning, krossning, frigörande av spårmetaller och transportutsläpp måste också räknas med.

Metallåtervinning som möjlig biprodukt

Eftersom sideroforer mobiliserar järn och kan påverka andra metaller kan processen i framtiden eventuellt kombinera koldioxidinfångning med återvinning av värdefulla ämnen från lämpliga mineralråvaror. Det skulle kunna förbättra ekonomin, men också skapa ytterligare krav på separation, rening, föroreningskontroll och tillstånd. Det tillgängliga underlaget stödjer detta som en framtida möjlighet – inte som en bevisad kommersiell intäktskälla.

Frågorna som fortfarande är obesvarade

Innan metoden kan gå vidare från kontrollerade demonstrationer behöver forskarna bland annat fastställa:

• om den genmodifierade egenskapen förblir stabil under långvarig kontinuerlig drift;
• hur bakteriestammen fungerar i komplexa naturliga havsvattensamhällen;
• hur genmodifierade celler och sideroforer kan hållas kvar eller avlägsnas;
• vilken klimatpåverkan och kostnad näring och el medför;
• om olika mineral frigör problematiska metaller eller andra föroreningar; samt
• hur den extra alkaliniteten och det varaktiga avlägsnandet av atmosfärisk koldioxid kan mätas oberoende.

Ökningen av upplösningen med 2,6 gånger och pilotresultatet på 0,5 gram per dag bör därför främst ses som tidiga tekniska riktmärken. De tillhandahållna källorna bekräftar projektets centrala idé – att konstruera A. macleodii för att producera mer sideroforer och därigenom stödja marin koldioxidinfångning – men innehåller inte hela artikeln i Nature Biotechnology eller tillräckliga detaljer för att självständigt återskapa livscykelanalysens metoder och antaganden. 23

Den större lärdomen är att mikrobiell ingenjörskonst kan hjälpa till att öppna vägen för mineralvittring, men att den inte i sig garanterar ett nettoupptag av koldioxid. Det avgörande testet blir om hela systemet kan behandla stora mängder lämpliga mineral med el med låga utsläpp – samtidigt som bakterierna hålls under kontroll, effekten går att mäta och miljöriskerna är acceptabla.