Вуглекислий газ зазвичай випаровується в небо, але у крихітної ґрунтової бактерії інший план. За певних умов вона перетворює газ на твердий вапняк.
Цей трюк належить Bacillus megaterium, і нове дослідження показує, як цей мікроб із дивовижною ефективністю пов'язує вуглець. Результати дослідження опубліковані в журналі Scientific Reports.
Бактерії швидко перетворюють вуглець на вапняк
У герметичних колбах, що знаходяться під тиском вуглекислого газу, що перевищує атмосферний більш ніж у 470 разів, бактерії брали в облогу карбонат кальцію, причому 94% вуглецю в ньому виходило безпосередньо з газу. Така ефективність перевершує ефективність більшості розроблених сорбентів.
"Ми знаємо, що десятки бактерій здатні мінералізувати кристали", - говорить Димитріос Терзіс. Він стверджує, що використання бактерії, яка безпосередньо поглинає вуглець, спростить впровадження у промисловість.
Ця ефективність важлива, оскільки галузям, що найбільш забруднюють довкілля, потрібні рішення прямо на заводі, а не десь на іншому кінці світу.
Біологічний процес, що дозволяє отримувати вапняк на вимогу, може бути використаний на цементних заводах, сталеливарних заводах або навіть на установках стабілізації ґрунту.
Ізотопний аналіз показав, що лише шість відсотків кристалічного вуглецю надходить із сечовини, що підтверджує, що клітини оминають старий шлях утворення аміаку.
Карбонатна решітка навіть відповідає ромбоедричній морфології геологічного кальциту на електронно-мікроскопічних знімках.
Ґрунтові мікроби вловлюють вуглець у вигляді вапняку
Bacillus megaterium - це аеробний паличкоподібний організм довжиною близько 4 мікрометрів, який використовується біотехнологами у виробленні вітаміну B12, синтезу ферментів та стимулюванні зростання рослин. Однак мало хто представляє його як муляра.
Швейцарська група використовувала менш відому особливість - здатність клітин до мікробно-індукованого осадження кальциту в присутності іонів кальцію. У лабораторних умовах ця реакція може зв'язати піщинки в єдиний блок протягом кількох годин.
Цей вид бактерій отримав свою назву "мегабактерія" в 1884 році, оскільки її клітини вважалися гігантськими для бактерій того часу. Сучасні генетичні дослідження відтоді віднесли його до роду Priestia, проте її мінеральні здібності збереглися.
Одержання кальциту з CO₂
Класичний шлях, уреоліз, використовує фермент уреазу для розщеплення сечовини, підвищення pH і запуску утворення кальциту, але при цьому утворюється аміак, що вимагає дорогого очищення. Цей потік відходів обмежує його широкомасштабне використання.
Альтернативний шлях заснований на використанні карбоангідрази - ферменту, що гідратує вуглекислий газ до бікарбонату, який потім реагує з кальцієм, утворюючи гірську породу без токсичних залишків. Оскільки реакція протікає з використанням кислоти, вона може протікати навіть у трохи кислих димових газах.
Нове дослідження підтвердило, що концентрації CO₂, що перевищують 470-кратний поріг, перемикають бактерію з уреази на карбоангідразу, що пояснює 94% мінералізації. Цей метаболічний переворот - найближче до запірного клапана для аміаку, яке тільки може запропонувати біологія.
Обидва ферменти перебувають у периплазмі, тому CO₂ або сечовині не потрібно перетинати внутрішні мембрани. Така локалізація прискорює осадження та дозволяє інженерам контролювати швидкість реакції за допомогою потоку газу або дозування поживних речовин.
Чистіший шлях для цементу
Виробництво цементу є відповідальним приблизно за вісім відсотків світових викидів вуглекислого газу, майже три мільярди тонн на рік. Скорочення цієї частки — одне із найскладніших завдань кліматичної політики.
Заміна шару цементу кальцитом, вирощеним бактеріями, може скоротити цей слід на мільйони тонн, одночасно зберігаючи вуглець на століття. Оскільки цей мінерал стабільний у геологічних масштабах, ризик повторного вивільнення є низьким.
Пілотні дослідження в Данії показали, що бетонні блоки, укріплені біокальцитом, втрачають менш як два відсотки своєї міцності на стиск після 300 циклів заморожування-відтавання.
Показники довговічності є важливими, оскільки будівельні норми та правила заохочують як тривалий термін служби, так і низький рівень викидів вуглецю.
Регулятори від Каліфорнії до Європейського Союзу розробляють правила, що базуються на експлуатаційних характеристиках, які дозволяють використовувати нові в'язкі речовини за умови, що випробування на безпеку відповідатимуть випробуванням на безпеку традиційних матеріалів.
Прихильники біокальциту стверджують, що ці правила відчиняють двері для мікробів там, де запропоновані стандарти цементу колись блокували зміни.
Масштабування уловлювання вуглецю з вапняку для промисловості
"Це дослідження показує, як екологічна мікробіологія у поєднанні з передовими лабораторними методами може розкрити механізми, які інакше залишилися б прихованими", - говорить Памела Прінчіпі, дослідник із SUPSI. Вона каже, що ізотопне відстеження допомогло визначити, де зрештою виявився вуглець.
Medusoil вже експлуатує пілотні біореактори та планує польові випробування, під час яких культура вводиться у заповнювачі для створення опорних блоків.
Компанія заявляє, що її прототипи вловлюють кілька фунтів CO2 на кубічний фут обробленого матеріалу.
Дослідники з Ньюкаслського університету нещодавно сконструювали Bacillus subtilis з використанням карбоангідрази з Bmegaterium та скоротили викиди CO₂ у димових газах майже на 80% під час лабораторних випробувань. Результат свідчить про можливість використання біотехнології «plug-and-play» для наявних промислових процесів.
Економічні моделі показують, що при роботі на відновлюваній електроенергії мікробні установки можуть забезпечити собівартість уловлювання менше ніж 50 доларів США за тонну, що можна порівняти з аміновим очищенням у малих масштабах.
Джерело кальцію може бути отримане з розсолів опріснення, шахтних хвостів або дрібнодисперсного бетону, що знижує вплив гірничодобувної промисловості.
Прискорення утворення вапняку з вуглецю
Залишаються проблеми, включаючи прокладання стерильних середовищ трубопроводами, балансування pH у великих реакторах та отримання кальцію без додаткових викидів.
Жодна з цих перешкод не виглядає непереборною порівняно з печами, які нині нагрівають вапняк до 2642 °F.
З усім тим, двоферментна стратегія, продемонстрована Bmegaterium, дає рідкісну можливість відразу перетворити промислову загрозу на справжній будівельний матеріал. При масштабуванні майбутні стіни можуть служити сховищами вуглецю.
У майбутніх дослідженнях буде вивчено, чи може редагування генів змусити шлях карбоангідрази працювати за нормального рівня CO₂ в атмосфері, усуваючи необхідність підвищення тиску.
Дослідники також вивчають, як органічні полімери, які виділяються клітинами, можуть адаптувати форму кристалів до певних механічних властивостей.
