Termiter framkallar i allmänhet inte en massa kärlek. Men överraskande nog, denna vedätande insekt kan ha nyckeln till att omvandla kol – en stor förorenande del av den globala energiförsörjningen – till renare energi för världen, enligt forskare vid University of Delaware.

I tidskriften American Chemical Society Energi och bränslen , UD Professor Prasad Dhurjati och hans forskargrupp beskriver i detalj hur en gemenskap av termit-tarmmikrober omvandlar kol till metan, huvudingrediensen i naturgas. Studien, som producerade datormodeller av den steg-för-steg biokemiska processen, var ett samarbete med ARCTECH, ett företag baserat i Centerville, Virginia, som har arbetat med dessa mikrober under de senaste 30 åren. ARCTECH försåg UD-teamet med experimentella data som användes för att validera modellerna.

"Det kanske låter galet till en början - termit-tarmmikrober som äter kol - men tänk på vad kol är. Det är i princip trä som har kokats i 300 miljoner år, sa Dhurjati, som sitter på fakulteten vid UD:s institution för kemi- och biomolekylär teknik.

Eoner sedan, träd och andra växter från de enorma skogarna som en gång täckte jorden dog och föll i träsk. Lager på lager av denna vegetation utsattes för högt tryck och temperatur från geologiska krafter, bildar sömmar av kol. Antracit är det svåraste, renaste brinnande kol, följt av bituminösa, subbituminöst och brunkol.

Nu, överväg termiten (av vilka det finns cirka 3, 000 olika arter runt om i världen). Enligt National Pest Management Association, termiter orsakar mer än 5 miljarder dollar i egendomsskador varje år. De kan äta trä och utvinna energi från det, tack vare några tusen mikrober som lever inuti deras tarm. Denna täta gemenskap av mikroskopiska organismer samverkar för att smälta cellulosa och lignin som ger växternas cellväggar sin styvhet.

Samma mikrober kan smälta kol, frigör metan och producerar humusmaterial, ett välgörande organiskt gödningsmedel, som en biprodukt. Varje mikrob bidrar till ett eller flera steg i denna intrikata matsmältningsprocess, där det finns hundratals steg, och där produkten av en mikrob kan tjäna som föda för nästa.

"Dessa mikrober gör miljontals kirurgiska hack i kolet, med hjälp av enzymer som härrör från ett stort antal gener, sa Dhurjati.

Flera företag har försökt kommersialisera denna mikrobiella nedbrytning av kol, men har misslyckats på grund av komplexiteten i att få en gemenskap av mikrober att fungera tillsammans. Dock, ARCTECH har lyckats få mikroberna att omvandla kol till metangas, samt ekologiska humusprodukter användbara för jordbruk, vattenrening och avfallsåtervinning.

"Våra datormodeller gör det nu möjligt att framgångsrikt designa, driva och kontrollera processer i kommersiell skala, " han sa.

Datormodeller bryter ner komplexa processer

Under det senaste decenniet, Dhurjati och ett dussin forskarstudenter vid UD bröt mödosamt ner alla steg i termitmikrobernas omvandling av kol till naturgas. De utvecklade datormodeller, känd tekniskt som en "klumpad kinetisk matematisk modell" och en "reaktionsanslutningsmodell, " som beskriver varje biokemisk reaktion när termitmikrobiella samhället förvandlar kol till renare bränsle. Kemiskt sett, mikroberna - en blandning av bakterier, protister och svampar – omvandlar först kolet till stora polyaromatiska kolväten, som ytterligare bryts ned till mellankedjade fettsyror, nästa in i organiska syror, äntligen producerar metan.

Den kinetiska modellen förenklar och "klumpar ihop" de hundratals stegen till några viktiga mellansteg. Dessa biokemiska intermediärer inkorporeras sedan i en matematisk modell som kan användas för att identifiera var processen går sönder och hur man får igång den igen.

Behöver mikroberna mer mat? Är temperaturen optimal? Modellerna fungerar som ett kvantitativt verktyg, tillhandahålla kritisk information för att tillgodose mikrobernas näringsbehov och för att felsöka metabola flaskhalsar och chokepoints. Modellerna kan också användas för att simulera kolgruvor, en miljö som skiljer sig mycket från termittarmen.

Den mikrobbaserade tekniken har redan implementerats i stora tankar som kallas biorötare ovan jord, och Dhurjati söker nu samarbetspartners för att testa tekniken under jord, i en djup kolgruva.

"Denna banbrytande bioteknik har potential att förändra "smutsigt kol" till "rent kol, "" sa han. "Det skulle vara en stor win-win för miljön och för ekonomin."

I jakten på "rent kol"

Kol står för närvarande för nästan 30 procent av världens energiförsörjning och cirka 40 procent av dess elproduktion, enligt kommittén för jordresurser vid National Academies of Sciences, Teknik och medicin.

Medan kol fortsätter att vara avgörande för den globala energiförsörjningen, den har också ett rykte om sig att vara smutsig, farligt för arbetare, och skadligt för människors hälsa och miljön. Förbränning av kol släpper ut giftiga föroreningar i luften, som kvicksilver, svaveldioxid, kväveoxider och sot, bidrar till luftvägssjukdomar. Kol är också ökänt för att generera mer utsläpp av växthusgaser vid förbränning än olja eller naturgas. Den genererar nästan dubbelt så mycket koldioxid per energienhet än naturgas.

Istället för att elda kol, Dhurjati vill använda termit-tarmmikrober för att smälta det, släpper ut naturgas.

"Detta skulle göra kolbaserad energi mycket, mycket renare tills världen har tid att helt byta över till förnybara energikällor som vind och sol, " han sa.

Världen har uppskattningsvis 1,1 biljoner ton kol—detta är reserver som kan brytas med befintlig teknik, enligt U.S. Energy Information Administration. Den mängden beräknas räcka i ytterligare cirka 150 år under nuvarande produktionstakt, sade World Coal Association. Kina och Indien är de största konsumenterna av kol, och USA har de största bevisade kolreserverna.

Ändå anses mindre än 5 procent av världens kol vara "brytbart". Enligt U.S. Energy Information Administration, 90,7 procent av alla fossila bränslen världen över ligger på djupet, ogenombrytbara kollag, följt av brytbart kol med 4,8 procent, naturgas på 2,3 procent, och olja på 2,2 procent.

Den stora majoriteten av kol är inlåst under jorden i sömmar 1, 000 fot eller mer djupt – motsvarande tre Frihetsgudinnor staplade ovanpå varandra och lite till.

I en process som kallas metanextraktion i kolbädd, som har stötts av det amerikanska energidepartementet sedan 1980-talet, hål eller "brunnar" borras från ytan till underjordiska kollagor för att komma åt metan som fångats för evigheter sedan när kolet bildades. Flera delstater i USA, samt Australien och Indien, använda denna metod.

Dhurjati sa att han hoppas kunna placera ut mikrobgruvarbetare på en av dessa platser för att livnära sig på kolet och producera ett jämnt flöde av naturgas, rör till ytan.

"ARCTECH har mikroberna och teknologin, och våra datormodeller har hjälpt oss att avslöja nyckelfaktorer och begränsningar som tidigare hindrat kommersialiseringen av tekniken under jord, " sade han. "Tekniken är redo att gå."

En resurs för lika möjligheter

Dhurjati anser att kol är "en lika möjligheter". Även om USA har världens största utbud, mer än 70 länder har kolresurser.

"Vårt mål är att hjälpa länder att använda kol i en säker, rent sätt, när världen fortsätter att övergå till förnybar energi, " Dhurjati sa. "Detta är ett av de viktigaste projekten jag någonsin har varit involverad i, och det har potentialen att bli en riktig spelväxlare."

Abhilash Sharma, en UD senior inriktning ingenjör från Marietta, Georgien, och den första författaren på tidningen, frivilligt att forska om Dhurjatis team när han var tvåa och har fortsatt sedan dess eftersom han sa att han tror så djupt på arbetet.

"Kol är så otroligt rikligt att det skulle vara fel att ignorera det, ", sa Sharma. "Vi går mot ett nytt tänkesätt där snarare än att skicka människor under jorden, vi skickar mikrober under jorden och lämnar människorna ovanför att ta itu med vad mikroberna tar fram. Genom att göra så, vi skulle ge människor mycket mer kompetens för framtida jobb också."