Aangepaste zeebacterie versnelt steenverwering voor CO2-opslag uit de lucht

Gesteente dat verweert, haalt van nature CO2 uit de lucht. Regen en zeewater lossen mineralen langzaam op, waarbij koolstofdioxide wordt omgezet in stabiele bicarbonaationen die duizenden jaren in oceanen en bodems kunnen blijven zitten. Het probleem: dit proces verloopt in de natuur extreem traag. Voor grootschalige CO2-reductie is dat tempo niet genoeg. Onderzoekers, gepubliceerd in Nature Biotechnology, zochten daarom naar een manier om de natuur een handje te helpen. Het onderzoek staat onder leiding van Pamela Silver en Michael Springer van het Wyss Institute aan Harvard University, in samenwerking met Harvard Medical School en de Stanford Doerr School of Sustainability; scheikundig ingenieur Neil Dalvie is eerste auteur.

Bacteriën als katalysator

De sleutel ligt bij een groep moleculen die bacteriën van nature aanmaken: sideroforen. Deze stofjes binden ijzer en voorkomen dat er een beschermende ijzeroxidelaag op een mineraaloppervlak ontstaat. Zonder die laag kan het gesteente veel sneller oplossen. De onderzoekers werkten met olivijn, een veelvoorkomend mineraal in vulkanisch gesteente zoals peridotiet, dat bekendstaat als kansrijke kandidaat voor versnelde verwering. Ze gebruikten de zeebacterie Alteromonas macleodii, die van nature de siderofoor petrobactine aanmaakt.

Bij eerste experimenten in doorstroomreactoren – een soort gecontroleerde bioreactor waarin voortdurend vers zeewater wordt toegevoegd en afgevoerd – bleek er een addertje onder het gras. Bacteriën stoppen van nature met het maken van sideroforen zodra ze genoeg ijzer hebben binnengehaald. In een reactor met volop olivijn krijgen ze steeds voldoende ijzer binnen, waardoor de productie al snel stilvalt. Het natuurlijke regelmechanisme van de bacterie werkte de eigen toepassing dus tegen.

Genetisch aangepast voor continue productie

Om dit op te lossen, gebruikten de onderzoekers technieken uit de synthetische biologie om het genetische regelcircuit van de bacterie aan te passen. Het resultaat: een stam die ook bij voldoende ijzer sideroforen blijft produceren. Deze aangepaste bacterie versnelde de oplossing van olivijn met een factor 2,6 vergeleken met de onbewerkte variant. Het aanpassen van de bacterie zelf kostte het team ongeveer een maand; de echte uitdaging lag in het aantonen dat de ingreep ook daadwerkelijk tot meer CO2-opname leidde.

Een levenscyclusanalyse liet zien dat de winst voor het klimaat alleen overeind blijft als de bacteriën op hernieuwbare grondstoffen groeien en niet te vaak vervangen hoeven te worden. Voor de kleinschalige proeven gebruikte het team eVOLVERs, compacte bioreactoren die oorspronkelijk zijn ontwikkeld door bio-ingenieur Ahmad Khalil van het Wyss Institute. Op basis van die resultaten bouwde het team een proefinstallatie die ongefilterd zeewater uit Boston Harbor en het hernieuwbare voedingsstofje acetaat gebruikt om 4 kilogram olivijn te laten verweren. In de reactoren met de aangepaste bacteriën werd direct gemeten dat 0,50 gram CO2 per dag uit de lucht werd verwijderd, via de alkaliniteit die vrijkwam bij het oplossen van het gesteente.

Nog een lange weg te gaan

Dat is een piepklein resultaat vergeleken met de miljarden tonnen CO2 die jaarlijks wereldwijd worden uitgestoten. De proefopstelling toont vooral aan dát het principe werkt, niet dat het al op te schalen is naar industrieel niveau. Toch geldt dit soort onderzoek als belangrijk. Klimaatwetenschappers rekenen erop dat naast het terugdringen van uitstoot ook actieve verwijdering van CO2 uit de atmosfeer nodig is om de opwarming van de aarde te beperken. Versnelde gesteenteverwering is daarbij, naast methoden als directe luchtafvang, een van de weinige technieken die CO2 blijvend en op relatief grote schaal kunnen vastleggen, mits de energie- en materiaalkosten binnen de perken blijven.

Eerste auteur Neil Dalvie ontving inmiddels een Burroughs Wellcome Career Award, waarmee hij vervolgonderzoek naar microbiële siderofoorproductie en mineraalverwerking kan financieren. Het team onderzoekt bovendien of naast CO2-opslag ook waardevolle metalen uit het silicaatgesteente gewonnen kunnen worden. Medeauteur Michael Springer denkt dat opschaling het meest voor de hand ligt in bassins die lijken op die van rioolwaterzuiveringen: continu onbewerkt zeewater erin pompen en alkalisch water terug de oceaan in laten stromen, waar de vastgelegde koolstof onschadelijk blijft.