Vi khuẩn biển được lập trình có thể biến olivin thành công cụ loại bỏ carbon

Một nhóm nghiên cứu liên ngành do Viện Wyss thuộc Đại học Harvard dẫn dắt đã đề xuất kết hợp sinh học tổng hợp với phong hóa silicat tăng cường trong môi trường biển. Họ chỉnh sửa vi khuẩn biển Alteromonas macleodii để vi khuẩn tiếp tục sản xuất siderophore—các phân tử có khả năng gắn kết sắt—even khi tế bào không còn thiếu sắt. Mục tiêu là ngăn olivin bị phủ bởi lớp oxit sắt, vốn làm chậm quá trình hòa tan tiếp theo. 2

Khi các khoáng vật silicat như olivin hòa tan trong nước biển, chúng có thể làm tăng độ kiềm và thúc đẩy quá trình chuyển carbon dioxide trong khí quyển thành bicarbonate hòa tan. Viện Wyss gọi hướng tiếp cận rộng hơn này là phong hóa sinh học, nhằm tăng cường thu giữ carbon. 3

Ý tưởng cốt lõi: buộc vi khuẩn tiếp tục tạo siderophore

Trong hệ thống thông thường, vi khuẩn giảm sản xuất siderophore khi cảm nhận môi trường đã có đủ sắt. Theo chiến lược được báo cáo, các nhà nghiên cứu đã tách hoạt động sản xuất siderophore khỏi cơ chế phản hồi cảm nhận sắt, tạo ra một chủng được thiết kế để sản xuất lượng hợp chất này cao hơn và liên tục hơn. 2

Tài liệu được cung cấp không nêu rõ các gene hay trình tự điều hòa cụ thể đã bị thay đổi. Vì vậy, cách mô tả chính xác hơn là các nhà nghiên cứu đã tái lập trình cơ chế kiểm soát đáp ứng với sắt, thay vì khẳng định một cấu trúc di truyền cụ thể.

Điều chỉnh này nhằm xử lý một nút thắt trong quá trình phong hóa olivin. Khi olivin hòa tan, sắt giải phóng tại bề mặt khoáng vật có thể bị oxy hóa và tạo thành lớp phủ tương đối bền, cản trở quá trình hòa tan tiếp diễn. Siderophore gắn kết sắt và giúp giữ sắt trong dung dịch, về cơ bản làm sạch lớp “gỉ” trên bề mặt để nước biển tiếp tục tiếp xúc với olivin mới.

Alteromonas là một nền tảng vi khuẩn biển có tiềm năng cho hướng tiếp cận này, bởi các loài thuộc chi này phân bố rộng trong nước biển, từ vùng mặt nước đến những khu vực sâu hơn. 1718

Hệ thống phản ứng sinh học cho thấy điều gì?

Các thử nghiệm được tiến hành trong những thiết bị phản ứng eVOLVER vận hành liên tục, được cấp nước biển, sau đó mở rộng sang một hệ thống phản ứng đá–nước biển quy mô thí điểm. Theo tóm tắt nghiên cứu được cung cấp, hệ thống sử dụng vi khuẩn đã chỉnh sửa làm tốc độ hòa tan olivin tăng khoảng 2,6 lần so với các điều kiện đối chứng phù hợp, đồng thời loại bỏ khoảng 0,5 gram CO₂ khí quyển mỗi ngày trong hệ thống thí điểm.

Những kết quả này chứng minh một nguyên lý: có thể kết hợp khả năng tạo phức sắt của vi khuẩn được thiết kế với quá trình phong hóa khoáng vật trong một hệ thống biển được kiểm soát. Tuy nhiên, chúng chưa cho biết lượng carbon có thể được loại bỏ trên mỗi đơn vị khoáng sản, năng lượng hay nước biển khi triển khai ở quy mô thương mại. Kết quả cũng không chứng minh rằng việc thả vi khuẩn đã chỉnh sửa ra đại dương sẽ an toàn hoặc hiệu quả.

Vì sao phải đánh giá toàn bộ vòng đời?

Việc chỉnh sửa gene chỉ là một phần của hệ thống loại bỏ carbon. Một đánh giá đáng tin cậy phải tính đến phát thải và tài nguyên sử dụng trong toàn bộ quy trình, bao gồm:

• khai thác và nghiền olivin hoặc nguyên liệu silicat khác;
• vận chuyển khoáng sản đến địa điểm xử lý;
• xây dựng và vận hành bể phản ứng, bồn chứa hoặc hồ xử lý;
• bơm và xử lý nước biển;
• cung cấp chất dinh dưỡng, nuôi hoặc duy trì vi khuẩn; và
• tách sản phẩm, đồng thời giám sát lượng carbon thực sự được loại bỏ.

Tóm tắt được cung cấp mô tả kết luận về vòng đời theo hướng có điều kiện: quy trình chỉ có thể tạo ra loại bỏ carbon ròng khi năng lượng và vật liệu đầu vào đủ ít phát thải, đồng thời khoáng vật hòa tan đủ nhanh để bù đắp lượng phát thải phát sinh.

Điều đó khiến việc lựa chọn địa điểm và thiết kế quy trình quan trọng không kém kỹ thuật vi sinh. Một hệ thống khả thi có thể cần nằm gần nguồn khoáng sản và nước biển phù hợp, sử dụng điện carbon thấp, hạn chế nhu cầu nghiền và bơm, đồng thời có phương pháp kế toán để phân biệt CO₂ mới được loại bỏ khỏi khí quyển với lượng carbon vốn đã được nước biển hấp thụ nhờ hóa học tự nhiên.

Những hướng mở rộng tiềm năng

Bể nước biển mở hoặc bán kín

Nhóm nghiên cứu xem các bể nước biển mở hoặc bán kín là một lựa chọn có thể có chi phí thấp hơn so với hệ thống phản ứng hoàn toàn khép kín. Dòng chảy tự nhiên và điều kiện biển có thể giúp giảm một phần yêu cầu về cơ sở hạ tầng và năng lượng bơm.

Đổi lại, khả năng kiểm soát sẽ giảm. Bất kỳ hệ thống mở nào cũng phải giải quyết số phận của tế bào đã chỉnh sửa và siderophore, tình trạng pha loãng, sự cạnh tranh với sinh vật bản địa, nhu cầu dinh dưỡng, khả năng ngăn phát tán, tác động sinh thái và việc xác minh liên tục lượng độ kiềm cũng như CO₂ tăng thêm được loại bỏ. Những vấn đề này đặc biệt quan trọng vì Alteromonas vốn phân bố rộng trong môi trường biển. 1718

Nguyên liệu khoáng có sẵn tại địa phương

Olivin phù hợp để chứng minh cơ chế hóa học, nhưng không nhất thiết là nguyên liệu kinh tế nhất ở mọi nơi. Các hệ thống tương lai có thể đánh giá những vật liệu giàu silicat phổ biến tại địa phương, trong đó có một số loại chất thải mỏ hoặc phụ phẩm công nghiệp, miễn là thành phần khoáng vật, chất ô nhiễm, yêu cầu vận chuyển và tốc độ hòa tan tạo ra kết quả thuận lợi trong đánh giá vòng đời.

Một vật liệu rẻ hơn không mặc nhiên là vật liệu loại bỏ carbon tốt hơn. Chi phí khai thác, nghiền, nguy cơ giải phóng kim loại vi lượng và phát thải vận chuyển đều phải được tính vào đánh giá.

Thu hồi kim loại như sản phẩm đồng hành

Vì siderophore có thể huy động sắt và tương tác với các kim loại khác, quy trình này về lâu dài có thể kết hợp loại bỏ carbon với thu hồi các nguyên tố có giá trị từ những nguồn khoáng sản phù hợp. Cách làm đó có thể cải thiện hiệu quả kinh tế, nhưng cũng kéo theo yêu cầu bổ sung về tách, tinh chế, kiểm soát nhiễm bẩn và cấp phép. Bằng chứng hiện có chỉ ủng hộ đây là một cơ hội trong tương lai, chưa phải nguồn doanh thu thương mại đã được chứng minh.

Những câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ

Trước khi vượt ra khỏi các thử nghiệm được kiểm soát, nhóm nghiên cứu cần làm rõ:

• đặc tính đã chỉnh sửa có ổn định trong thời gian vận hành liên tục dài hay không;
• chủng vi khuẩn hoạt động thế nào trong quần xã nước biển tự nhiên phức tạp;
• có thể kiểm soát hoặc loại bỏ tế bào đã chỉnh sửa và siderophore ra sao;
• chi phí và cường độ phát thải carbon của chất dinh dưỡng, điện năng là bao nhiêu;
• các khoáng vật khác nhau có giải phóng kim loại hoặc chất ô nhiễm đáng lo ngại hay không; và
• làm thế nào đo lường độc lập lượng độ kiềm tăng thêm và việc loại bỏ CO₂ khí quyển một cách lâu dài.

Do đó, mức tăng 2,6 lần về tốc độ hòa tan và kết quả 0,5 gram CO₂ mỗi ngày trong hệ thống thí điểm nên được xem là những chỉ số kỹ thuật ban đầu. Các nguồn được cung cấp xác nhận tiền đề chính của dự án—thiết kế A. macleodii để tạo nhiều siderophore hơn nhằm phục vụ loại bỏ carbon trong môi trường biển—nhưng không bao gồm toàn văn bài báo trên Nature Biotechnology hoặc đủ chi tiết để độc lập tái dựng phương pháp và các giả định trong phân tích vòng đời. 23

Bài học lớn hơn là kỹ thuật vi sinh có thể giúp tháo gỡ một trở ngại của phong hóa khoáng vật, nhưng bản thân nó không thể bảo đảm hệ thống tạo ra loại bỏ carbon ròng. Phép thử quyết định sẽ là liệu toàn bộ quy trình có thể xử lý nguồn khoáng sản dồi dào và phù hợp bằng năng lượng carbon thấp, đồng thời duy trì khả năng kiểm soát, đo lường và chấp nhận được về mặt môi trường hay không.