Микробы, способные безопасно извлекать редкие и другие критически важные элементы для производства всего — от спутников до солнечных панелей, обладают ещё одной суперспособностью: они улавливают углекислый газ.
Три статьи, опубликованные за последний месяц исследователями из Корнелла, изучают новые стратегии привлечения бактерий Gluconobacter oxydans (G. oxydans) для более эффективного растворения горных пород. Это позволяет не только извлекать металлы, необходимые для передовых технологий, но и ускорить естественные процессы, поглощающие углекислый газ из воздуха.
Базз Барстоу, доктор философии, адъюнкт-профессор биологической и экологической инженерии в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни, и Эстебан Газел, профессор Чарльза Н. Меллоуса в области инженерии в Корнельском университете на факультете наук о Земле и атмосфере, сотрудничают в этой работе уже семь лет. Они совершили прорыв в фундаментальной науке о том, как микробы взаимодействуют с металлами и минералами, а также в разработке микроорганизмов, которые могут извлекать металлы из минералов и отделять их.
«В этом веке придётся добывать больше металлов, чем за всю историю человечества, но традиционные технологии добычи наносят огромный вред окружающей среде, — говорит Барстоу. — В настоящее время США вынуждены получать почти все эти элементы из зарубежных источников, включая Китай, что создаёт риск нарушения цепочки поставок».
В природе такие металлы, как магний, железо и кальций, могут вступать в реакцию с CO₂ в атмосфере и образовывать новые минералы, которые навсегда связывают углекислый газ, вызывающий потепление климата. Специально разработанные микробы повышают эффективность этого процесса, разрушая горные породы и подвергая металлы воздействию CO₂ в воздухе.
«То, что мы пытаемся сделать, — говорит Газел, — это использовать процессы, которые уже существуют в природе, но повысить их эффективность и улучшить устойчивость».
Исследователи значительно улучшили биовыщелачивание редких элементов:
Ранее группа исследователей определила гены, способствующие подкислению: G. oxydans B58 может выживать и размножаться в очень кислых условиях, а кислые побочные продукты, которые производят бактерии, способствуют биовыщелачиванию редких элементов из горных пород.
В статье, опубликованной в Communications Biology, исследователи внесли два одновременных изменения в геном бактерий: одно, которое напрямую ускоряет производство кислоты; и второе, которое «снимает тормоза» с производства кислоты, сказал Барстоу. Эти изменения увеличили биовыщелачивание редких элементов на 73%.
Первый автор — Алекса Шмитц, доктор философии, бывший научный сотрудник Института энергетических систем Корнельского университета в лаборатории Барстоу, а теперь генеральный директор REEgen, частной компании из Итаки, которая использует G. oxydans для извлечения редких элементов.
Улучшение эффективности извлечения G. oxydans на 111%:
Работая с G. oxydans, команды Барстоу и Газеля поняли, что микроб использует не только кислоты для извлечения металлов из горных пород. Понимание и использование этих способностей сделало бы биодобычу гораздо более эффективной.
Исследователи изучили геном высокопроизводительного варианта G. oxydans, B58, и систематически удаляли фрагменты генома, чтобы напрямую понять, какие гены повышают эффективность биодобычи, а какие снижают её. В статье, опубликованной в Communications Biology, были определены 89 генов, важных для биовыщелачивания, 68 из которых ранее не были идентифицированы для такого использования. Первый автор — Сабрина Марекос Ортис, кандидат наук в лаборатории Барстоу.
«Мы обнаружили, что разные гены в G. oxydans участвуют в процессе улавливания углерода, в отличие от генов, влияющих на извлечение редких элементов, — сказала Марекос Ортис. — Это понимание позволяет нам создавать микробы, которые лучше всего подходят для поставленной задачи. Специально разработанные штаммы, которые мы создадим в будущем, могут привести и к другим применениям».
Демонстрация того, что микробы для биодобычи эффективно разрушают горные породы, чтобы ускорить естественный процесс улавливания углерода в 58 раз:
По мере того как горные породы разрушаются под воздействием дождя, они выделяют кальций и магний. В присутствии воды эти элементы вступают в реакцию с CO₂, образуя известняк, который навсегда выводит CO₂ из атмосферы.
Статья, опубликованная в Scientific Reports, впервые характеризует взаимодействие G. oxydans с ультраосновными минералами (горными породами с высоким содержанием магния и железа). Первый автор — Джозеф Ли, доктор философии, студент в лаборатории Барстоу.
«Этот процесс может происходить в естественных условиях, при низких температурах и без использования агрессивных химикатов, — сказал Ли. — Он естественным образом поглощает CO₂ и сохраняет его в виде минералов. Мы также извлекаем другие критически важные для энергетики металлы, такие как никель, в качестве побочных продуктов. Это решение двойного действия».
Учёные уже много лет знают, что микробы могут взаимодействовать с минералами и металлами, и сегодня до 20% мировых запасов меди может поступать за счёт микробиологических процессов, сказал Барстоу. Но не существует известных микробов для добычи любого другого металла, поэтому лаборатории Барстоу и Газеля создают специальные микробы для биодобычи с помощью генной инженерии.
Предоставлено Корнельским университетом.