Σύνοψη
- Επιστήμονες από το ινστιτούτο Wyss του Harvard τροποποίησαν γενετικά το θαλάσσιο βακτήριο Alteromonas macleodii, αποσκοπώντας στην επιτάχυνση της φυσικής διεργασίας διάβρωσης των πετρωμάτων για την απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα.
- Το τροποποιημένο βακτήριο παράγει αδιάκοπα σιδηροφόρα μόρια, δηλαδή μόρια τα οποία απομακρύνουν το στρώμα σκουριάς από τα πυριτικά ορυκτά όπως ο ολιβίνης, εξαλείφοντας το εμπόδιο που επιβραδύνει τη φυσική διάβρωση.
- Σε πειράματα με ειδικούς βιοαντιδραστήρες πλήρους ροής χρησιμοποιώντας θαλασσινό νερό, η ομάδα του Harvard παρατήρησε αύξηση της ταχύτητας διάβρωσης κατά 2,6 φορές, δεσμεύοντας με επιτυχία 0,5 γραμμάρια CO2 ανά ημέρα.
- Στόχος είναι η δημιουργία τεράστιων βιομηχανικών δεξαμενών κοντά σε ακτές, οι οποίες θα αντλούν θαλασσινό νερό και θα επιστρέφουν ένα αλκαλικό διάλυμα ικανό να εξουδετερώσει την οξύτητα των ωκεανών, καταπολεμώντας ταυτόχρονα το πλεόνασμα του ατμοσφαιρικού άνθρακα.
Η αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής απαιτεί πλέον παρεμβάσεις που ξεπερνούν τον απλό περιορισμό των νέων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, καθιστώντας απολύτως απαραίτητη την ενεργή αφαίρεση του ήδη συσσωρευμένου διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα με τη χρήση μεθόδων που δύνανται να εφαρμοστούν σε παγκόσμια κλίμακα χωρίς να καταναλώνουν απαγορευτικά ποσά ενέργειας.
Η φυσιολογική γεωλογική διεργασία της διάβρωσης των πετρωμάτων αποτελεί ιστορικά έναν από τους βασικότερους ρυθμιστές των επιπέδων διοξειδίου του άνθρακα της Γης, καθώς τα ορυκτά που διαλύονται σταδιακά μέσω της έκθεσης τους στο νερό και τον αέρα καταλήγουν τελικά στους ωκεανούς, όπου και δεσμεύουν το ατμοσφαιρικό CO2, συμβάλλοντας καθοριστικά στη φυσική ψύξη του πλανήτη μας.
Ωστόσο, αυτή η φυσική περιβαλλοντική ροή των πραγμάτων απαιτεί εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια για να ολοκληρωθεί πλήρως, γεγονός που την καθιστά υπερβολικά αργή ώστε να λειτουργήσει ως ένα άμεσο και αποτελεσματικό αντίδοτο στις ραγδαίες κλιματικές αλλαγές που βιώνουμε σήμερα, οδηγώντας αναπόφευκτα τους επιστήμονες στην αναζήτηση καινοτόμων μεθόδων για την τεχνητή επιτάχυνση της.
Προκειμένου να ξεπεραστεί αυτό το τεράστιο χρονικό εμπόδιο, ερευνητές από το φημισμένο Ινστιτούτο Wyss για τη Βιολογικά Εμπνευσμένη Μηχανική του πανεπιστημίου Harvard, σε άμεση συνεργασία με την Ιατρική Σχολή του ίδιου πανεπιστημίου και τη Σχολή Βιωσιμότητας Doerr του Stanford, ανέπτυξαν μια πρωτοποριακή τεχνική που συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της συνθετικής βιολογίας με την επιταχυνόμενη διάβρωση πετρωμάτων (Enhanced Rock Weathering). Η ερευνητική ομάδα εστίασε εκτεταμένα τις προσπάθειες της στη γενετική τροποποίηση ενός ευρέως διαδεδομένου και μελετημένου θαλάσσιου βακτηρίου γνωστού ως Alteromonas macleodii, προσδίδοντας του τη μοναδική ικανότητα να παράγει αδιάκοπα πολύ μεγαλύτερες ποσότητες σιδηροφόρων μορίων.
Οι συγκεκριμένες οργανικές ενώσεις διαδραματίζουν έναν εξαιρετικά κρίσιμο ρόλο στην όλη γεωλογική διαδικασία, διότι έχουν την έμφυτη ικανότητα να εξάγουν τον σίδηρο απευθείας από τα πυριτικά ορυκτά, όπως είναι ο ευρέως διαθέσιμος ολιβίνης, εξαλείφοντας με αυτόν τον τρόπο ένα από τα μεγαλύτερα χημικά εμπόδια που επιβραδύνουν δραματικά τη φυσική διάβρωση των πετρωμάτων στη φύση.
Κατά τη διάρκεια της παραδοσιακής φυσικής διάβρωσης, τα πυριτικά ορυκτά διαλύονται απελευθερώνοντας κυρίως μαγνήσιο, σίδηρο και πυριτικό άλας, ενώ παράλληλα παγιδεύουν το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα μέσα στο νερό με τη μορφή διττανθρακικών αλάτων, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να παραμείνουν διαλυμένα και ακίνδυνα στον ωκεανό για αρκετές χιλιετίες.
Το θεμελιώδες πρόβλημα που προκύπτει χημικά σε αυτή τη διαδικασία έγκειται στο γεγονός ότι ο απελευθερωμένος σίδηρος δεν παραμένει διαλυτός όταν εκτίθεται στο οξυγόνο της ατμόσφαιρας, με αποτέλεσμα να οξειδώνεται άμεσα και να καλύπτει την εξωτερική επιφάνεια του ορυκτού ως ένα αδιαπέραστο στρώμα σκουριάς, το οποίο πρακτικά σταματά αμέσως τη συνέχιση της διάβρωσης εκτός εάν υπάρξει κάποιος εξωτερικός μηχανισμός για τη συνεχή απομάκρυνση του.
Τα φυσιολογικά βακτήρια του ωκεανού παράγουν ούτως ή άλλως σιδηροφόρα μόρια προκειμένου να μπορέσουν να δεσμεύσουν και να διαλύσουν αυτόν τον οξειδωμένο σίδηρο για να συντηρήσουν τη δική τους ανάπτυξη, όμως έχουν προγραμματιστεί βιολογικά να διακόπτουν εντελώς την παραγωγή αυτών των δαπανηρών ενεργειακά μορίων μόλις καλύψουν τις άμεσες δικές τους βιολογικές ανάγκες, σταματώντας έτσι τη διαδικασία καθαρισμού του πετρώματος.
Η κρίσιμη καινοτομία της ερευνητικής ομάδας έγκειται ακριβώς στην πλήρη παράκαμψη αυτού του αυστηρού φυσικού περιορισμού, καθώς οι επιστήμονες κατάφεραν μέσω εξελιγμένης γενετικής μηχανικής να αποσυνδέσουν οριστικά την παραγωγή των σιδηροφόρων μορίων από τα φυσιολογικά περιβαλλοντικά επίπεδα σιδήρου, αναγκάζοντας τα τροποποιημένα βακτήρια να συνθέτουν και να εκκρίνουν αυτά τα εξαιρετικά χρήσιμα μόρια σε απόλυτα συνεχή βάση, ανεξάρτητα από το εάν τα έχουν πραγματικά ανάγκη για τη δική τους επιβίωση.
Μετά την επιτυχή εργαστηριακή τροποποίηση των μικροβίων σε διάστημα περίπου ενός μήνα, η ερευνητική ομάδα προχώρησε απευθείας στη δοκιμή της κεντρικής της θεωρίας σε πραγματικές συνθήκες, χρησιμοποιώντας για τον σκοπό αυτό μια σειρά από πλήρως παραμετροποιήσιμους εξειδικευμένους βιοαντιδραστήρες που φέρουν την ονομασία eVOLVERs, οι οποίοι προσέφεραν τη δυνατότητα να διατηρείται μια αδιάκοπη και αυστηρά ελεγχόμενη ροή θαλασσινού νερού και βακτηρίων πάνω από τα στερεά δείγματα των ορυκτών.
Κατά την κλιμάκωση του πειράματος σε πιλοτικούς βιοαντιδραστήρες μεγαλύτερης χωρητικότητας, οι επιστήμονες του Harvard χρησιμοποίησαν αρκετά κιλά πράσινης άμμου ολιβίνη, τα οποία και βύθισαν εντελώς κάτω από δεκάδες λίτρα απολύτως μη επεξεργασμένου θαλασσινού νερού που αντλήθηκε απευθείας από το μεγάλο λιμάνι της Βοστώνης, προσπαθώντας με αυτόν τον τρόπο να προσομοιώσουν όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστικά τις απρόβλεπτες πραγματικές συνθήκες που επικρατούν στο ανοιχτό ωκεάνιο περιβάλλον.
Τα αποτελέσματα υπήρξαν ιδιαιτέρως ενθαρρυντικά για την ακαδημαϊκή κοινότητα, αφού οι τελικές μετρήσεις έδειξαν ότι τα γενετικά τροποποιημένα βακτήρια επιτάχυναν θεαματικά τον ρυθμό διάβρωσης του ολιβίνη κατά 2,6 φορές σε σύγκριση με τον αντίστοιχο φυσιολογικό ρυθμό, επιτρέποντας στο εν λόγω πειραματικό σύστημα να αφαιρεί συστηματικά και αποδεδειγμένα 0,5 γραμμάρια διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα καθ’ εκάστη ημέρα λειτουργίας του.
Η λειτουργία του συστήματος σε αυτή την πιλοτική κλίμακα έδωσε επίσης τη σπάνια δυνατότητα στους ερευνητές να αρχίσουν να επιλύουν άμεσα σημαντικά πρακτικά και λειτουργικά προβλήματα που αφορούν την ακριβή συχνότητα προσθήκης νέων κυττάρων, τον βέλτιστο τρόπο σίτισής τους και τη συντήρηση του συστήματος, στοιχεία τα οποία θεωρούνται απολύτως θεμελιώδη για να φτάσουμε στην τελική εμπορική και βιομηχανική εφαρμογή της συγκεκριμένης τεχνολογίας.
Προκειμένου βέβαια να διασφαλιστεί ότι η όλη φιλόδοξη διαδικασία δεν καταλήγει να παράγει συνολικά περισσότερους ρύπους από όσους καταφέρνει να απορροφήσει, η ομάδα του Harvard συνεργάστηκε εξαιρετικά στενά με τους ειδικούς της Σχολής Βιωσιμότητας Doerr του πανεπιστημίου Stanford για τη διεξαγωγή μιας απολύτως εξαντλητικής Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (Life Cycle Analysis), η οποία έλαβε ρητά υπόψη της όλους τους εμπλεκόμενους παράγοντες, από τα ευαίσθητα βιολογικά συστήματα έως τα βαριά γεωλογικά και σύνθετα χημικά μέρη, καταγράφοντας με απόλυτη μαθηματική ακρίβεια το καθαρό τελικό ισοζύγιο άνθρακα του πειράματος.
Η συγκεκριμένη ανάλυση υπέδειξε ποιες ακριβώς τεχνικές παράμετροι της διαδικασίας αποτελούν το πραγματικό κλειδί για να καταστεί τελικά η μέθοδος μια συμφέρουσα και αποδοτική περιβαλλοντική τεχνολογία όταν εφαρμοστεί σε ευρεία βιομηχανική κλίμακα, καθώς η αποτελεσματικότητα ενός τέτοιου γιγαντιαίου συστήματος εξαρτάται σε τεράστιο βαθμό από τη βέλτιστη ενεργειακή διαχείριση της ροής του νερού και την ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση της απαιτούμενης εξωτερικής ενέργειας.
Η ξεκάθαρη προοπτική που διαγράφεται πλέον από τη συγκεκριμένη πρωτοποριακή έρευνα εστιάζει στη μελλοντική δημιουργία τεράστιων παραθαλάσσιων εγκαταστάσεων που θα θυμίζουν σε μέγεθος και εσωτερική δομή τις σύγχρονες μονάδες επεξεργασίας βιολογικών λυμάτων, μέσα στις οποίες θα αναπτύσσονται μαζικά τα βακτηριακά στελέχη υποστηριζόμενα από επαρκείς και φθηνές πηγές τροφής.
Σε αυτές τις εγκαταστάσεις, γιγαντιαίες αντλίες χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας θα διοχετεύουν αδιάκοπα μη επεξεργασμένο θαλασσινό νερό στις τεράστιες δεξαμενές που θα περιέχουν τα θρυμματισμένα ορυκτά, ενώ το τελικό παραγόμενο προϊόν αυτής της διαδικασίας θα είναι ένα ελαφρώς εμπλουτισμένο αλκαλικό θαλασσινό νερό, το οποίο θα επιστρέφει ομαλά με φυσική ροή πίσω στον ωκεανό, όπου όχι μόνο ο δεσμευμένος άνθρακας θα παραμένει εντελώς αβλαβής για το πολυπλοκότερο οικοσύστημα του πλανήτη, αλλά ταυτόχρονα θα εξουδετερώνεται σε ένα μικρό βαθμό και η ολοένα αυξανόμενη οξύτητα των ωκεανών που απειλεί ανοιχτά την παγκόσμια θαλάσσια ζωή.
