Модифицированные бактерии помогли ускорить выветривание оливина и захват углекислого газа

Генетически модифицированные морские бактерии помогли в 2,6 раза ускорить растворение оливина — силикатного минерала, выветривание которого способствует связыванию атмосферного углекислого газа в воде. Ученые модифицировали бактерии так, чтобы они неограниченно производили сидерофоры для растворения железа. В результате в пилотной установке с четырьмя килограммами оливина удалось зарегистрировать удаление из воздуха 0,5 грамма CO₂ в сутки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Biotechnology.

Выветривание силикатных пород — один из естественных механизмов регулирования содержания углекислого газа в атмосфере. Например, оливин — ортосиликат магния и железа (MgFe)SiO₄) —  при растворении может связывать CO₂, при этом образуются бикарбонаты металлов, а более слабая ортокремниевая кислота выпадает в осадок. Однако естественное выветривание происходит очень медленно — в масштабах сотен тысяч лет. Ученые пытаются ускорить его: например, дробят силикатные породы или пытаются повлиять на растворимость, добавляя кислоты. Но даже в таком случае скорость растворения остается недостаточной для промышленных применений. Кроме того, использование кислот может сделать весь процесс бессмысленным, поскольку сами реагенты имеют высокий углеродный след. 

Американские ученые под руководством Нила Далви (Neil C. Dalvie) из Гарвардской медицинской школы решили ускорить выветривание с помощью бактерий. Они выбрали морскую бактерию Alteromonas macleodii, которая естественным образом производит сидерофоры — соединения, связывающие железо. При растворении оливина железо окисляется и образует оксиды, которые оседают на поверхности минерала и затрудняют его дальнейшее растворение. Сидерофоры способны растворять это железо и тем самым препятствовать образованию такого защитного слоя.

Однако у природных бактерий Alteromonas macleodii сидефоры вырабатываются только в условиях нехватки железа. Чтобы обойти это ограничение, Далви и его коллеги изменили генетическую регуляцию бактерии так, чтобы она постоянно синтезировала сидерофор петробактин независимо от концентрации железа. В экспериментах такая модификация увеличила скорость растворения оливина в 2,6 раза по сравнению с немодифицированными бактериями.

Затем ученые проверили систему в поточных биореакторах: через них постоянно протекала морская вода, а частицы оливина оставались внутри емкости. Анализ показал, что для масштабирования процесса недостаточно добиться производства сидефор — важно также подобрать источник питания бактерий. Например, глюкоза не подошла: продукты ее метаболизма снижали щелочность среды и тем самым частично нивелировали эффект ускоренного растворения минерала. Так что глюкозу заменили на ацетат, который можно получать с применением возобновляемых источников энергии из углекислого газа.

После этого исследователи собрали пилотные биореакторы, в которых использовали необработанную морскую воду и ацетат. В установке находилось четыре килограмма оливина. По изменению щелочности ученые рассчитали, что такая система непосредственно удаляла из воздуха около 0,5 грамма углекислого газа в сутки.

Авторы провели оценку жизненного цикла процесса и пришли к выводу, что для его климатической эффективности важна стабильность бактериальных колоний. Если придется часто добавлять новые бактерии, то углеродный след от их выращивания может вновь сделать процесс бессмысленным. Поэтому далее исследователи планируют не только масштабировать процесс, но и сделать бактерии более устойчивыми.

Ранее мы рассказывали, как другой вид бактерий помог эффективно добыть литий из морской воды.