Du kanske är bekant med direkt luftinfångning, eller DAC, där koldioxid avlägsnas från atmosfären i ett försök att bromsa effekterna av klimatförändringar. Nu har en forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) föreslagit ett system för direkt havsfångst. Tar bort CO₂ från haven kommer att göra det möjligt för dem att fortsätta göra sitt jobb med att absorbera överskott av CO₂ från atmosfären.

Experter är för det mesta överens om att kampen mot klimatförändringarna kommer att kräva mer än att stoppa utsläppen av klimatuppvärmande gaser. Vi måste också ta bort koldioxiden och andra växthusgaser som redan har släppts ut, till mängden gigaton CO₂ tas bort varje år till 2050 för att uppnå nettonollutsläpp. Haven innehåller betydligt mer CO₂ än atmosfären och har fungerat som en viktig kolsänka för vår planet.

Peter Agbo är en anställd forskare i Berkeley Lab inom Chemical Sciences Division, med en sekundär anställning inom Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division. Han tilldelades ett bidrag genom Berkeley Labs Carbon Negative Initiative, som syftar till att utveckla banbrytande teknik för negativa utsläpp, för sitt förslag till havsfångst. Hans medutredare i det här projektet är Steven Singer vid Joint BioEnergy Institute och Ruchira Chatterjee, en forskare inom Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division av Berkeley Lab.

F. Kan du förklara hur du tänker dig att din teknik ska fungera?

Vad jag i huvudsak försöker göra är att konvertera CO₂ till kalksten, och ett sätt att göra detta är att använda havsvatten. Anledningen till att du kan göra detta är att kalksten består av magnesium, eller det som kallas magnesium- och kalciumkarbonater. Det finns mycket magnesium och kalcium naturligt i havsvattnet. Så om du har gratis CO₂ flyter runt i havsvatten, tillsammans med magnesium och kalcium, kommer det naturligt att bilda kalksten i viss utsträckning, men processen är mycket långsam – geologiska tidsskalor på gränsen.

Det visar sig att flaskhalsen i omvandlingen av CO₂ till dessa magnesium- och kalciumkarbonater i havsvatten är en process som naturligt katalyseras av ett enzym som kallas kolsyraanhydras. Det är inte viktigt att känna till enzymnamnet; det är bara viktigt att veta att när du lägger till kolsyraanhydras till denna havsvattenblandning kan du i princip påskynda omvandlingen av CO₂ till dessa kalkstenar under lämpliga förhållanden.

Och så tanken är att skala upp detta – rita CO₂ ut ur atmosfären till havet och i slutändan till någon kalkstensprodukt som du kan binda.

F. Fascinerande. Så du vill omvandla koldioxid till berg med en process som sker naturligt i havsvatten, men påskynda den. Det här låter nästan som science fiction. Vilka är utmaningarna med att få detta att fungera?

För att absorbera CO₂ från luften tillräckligt snabbt för att tekniken ska fungera måste du lösa problemet med hur du ska tillhandahålla tillräckligt med detta enzym för att du ska kunna använda denna process i en meningsfull skala. Om vi ​​helt enkelt skulle försöka leverera enzymet som en ren produkt så skulle man inte kunna göra det på ett ekonomiskt lönsamt sätt. Så frågan jag försöker svara på här är, hur skulle du göra det här? Du måste också hitta sätt att stabilisera pH och blanda in tillräckligt med luft för att höja och behålla din CO₂ koncentration i vatten.

Lösningen som kom för mig var, okej, med tanke på att vi vet att kolsyraanhydras är ett protein, och proteiner syntetiseras naturligt av biokemiska system, som bakterier, som vi kan manipulera, sedan kunde vi ta bakterier och sedan konstruera dem för att göra kolsyra anhydras för oss. Och du kan bara fortsätta odla dessa bakterier så länge du matar dem. Ett problem är dock att du nu har flyttat kostnadsbördan till att tillhandahålla tillräckligt med mat för att producera tillräckligt med bakterier för att producera tillräckligt med enzym.

Ett sätt att lösa problemet skulle vara att använda bakterier som kan växa med energi och näringsämnen som är lätt tillgängliga i den naturliga miljön. Så detta pekade mot fotosyntetiska bakterier. De kan använda solljus som sin energikälla, och de kan också använda CO₂ som sin kolkälla att livnära sig på. Och vissa fotosyntetiska bakterier kan också använda de mineraler som naturligt förekommer i havsvatten huvudsakligen som vitaminer.

F. Intressant. Så vägen till att fånga upp överskott av CO₂ ligger i att kunna konstruera en mikrob?

Potentiellt på ett sätt, ja. Det jag har arbetat med i det här projektet är att utveckla en genetiskt modifierad bakterie som är fotosyntetisk och konstruerad för att producera mycket kolanhydras på dess yta. Sedan, om du skulle lägga det i havsvatten, där du har mycket magnesium och kalcium, och även CO₂ närvarande skulle du se en snabb bildning av kalksten. Det är grundidén.

Det är ett litet projekt för nu, så jag bestämde mig för att fokusera på att skaffa den konstruerade organismen. Just nu försöker jag helt enkelt utveckla det primära katalysatorsystemet, som är de enzymmodifierade bakterierna som driver mineraliseringen. De andra icke-triviala delarna av detta tillvägagångssätt – hur man på lämpligt sätt utformar reaktorn för att stabilisera CO₂ koncentrationer och pH som behövs för att detta schema ska fungera — är framtida utmaningar. Men jag har använt simuleringar för att informera om mina metoder för dessa problem.

Det är ett roligt projekt eftersom mina co-PI:er och jag kan göra antingen fysisk elektrokemi eller genmanipulation i labbet.

F. Hur skulle det här se ut när det har skalats upp? Och hur mycket kol skulle den kunna binda?

Vad jag har föreställt mig är att bakterien skulle odlas i en växtskalig bioreaktor. Du strömmar i princip havsvatten in i denna bioreaktor samtidigt som du aktivt blandar in luft, och den bearbetar havsvattnet och omvandlar det till kalksten. Helst har du förmodligen någon typ av nedströms centrifugeringsprocess för att extrahera de fasta ämnena, som kanske kan drivas av själva vattenflödet, som sedan hjälper till att dra ut kalkstenskarbonaterna innan du sedan stöter ut det utarmade havsvattnet. Ett alternativ som möjligen skulle kunna lösa mineraliseringens pH-begränsningar skulle vara att implementera detta istället som en reversibel process, där du också använder enzymet för att återkonvertera kolet du har fångat i havsvatten tillbaka till en mer koncentrerad CO₂ ström (karboanhydrasbeteende är reversibelt).

Vad jag har beräknat för det här systemet, förutsatt att proteinet kolsyraanhydras beter sig på bakterieytan, mer eller mindre, som det gör i fri lösning, skulle tyda på att du skulle behöva en växt som bara har cirka 1 miljon- liters volym, vilket faktiskt är ganska liten. En av dessa kan få dig till ungefär 1 megaton CO₂ fångas per år. Många antaganden är dock inbyggda i den typen av uppskattning, och det kommer sannolikt att förändras när arbetet fortskrider.

Att uppföra 1 000 sådana anläggningar globalt, vilket är ett litet antal jämfört med de 14 000 vattenreningsanläggningarna enbart i USA, skulle tillåta den årliga, gigatonskaliga fångsten av atmosfärisk CO₂ . + Utforska vidare

Djuphavsbakterier kan hjälpa till att neutralisera växthusgaser, finner forskare