باکتری‌های مهندسی‌شده سرعت هوازدگی سنگ‌ها را برای جذب کربن سه برابر می‌کنند

باکتری‌های دریایی اصلاح‌شده ژنتیکی می‌توانند تجزیه طبیعی سنگ‌های سیلیکاتی را با ضریب ۲.۶ تسریع کنند و یک فرآیند زمین‌شناختی جذب کربن را در چارچوب زمانی فشرده‌ای قرار دهند که بتواند به شکلی معنادار انتشار گازهای گلخانه‌ای امروزی را جبران کند.

در یک مطالعه در مقیاس آزمایشی که در اوت ۲۰۲۶ منتشر شد، پژوهشگران نشان دادند که میکروب مهندسی‌شده «آلتروموناس مک‌لئودی» (Alteromonas macleodii) به طور پیوسته ۴ کیلوگرم از کانی الیوین را در بیورآکتورهای آب دریا هوازدگی کرده و روزانه ۰.۵۰ گرم دی‌اکسید کربن را از هوا حذف می‌کند. این یافته‌ها مکانیسمی بیولوژیکی را برای سرعت بخشیدن به یکی از قدیمی‌ترین ترموستات‌های اقلیمی زمین تثبیت می‌کند.[1][4][5]

این مکانیسم بر غلبه بر یک گلوگاه شیمیایی استوار است که در حالت عادی انحلال سنگ را متوقف می‌کند. هنگامی که کانی‌های سیلیکاتی مانند الیوین با آب و هوا برهم‌کنش دارند، حل شده و منیزیم، آهن و سیلیکات آزاد می‌کنند؛ واکنشی که دی‌اکسید کربن محلول را به بی‌کربنات پایدار تبدیل می‌کند.

با این حال، آهن آزادشده در معرض جو به سرعت اکسید می‌شود و پوسته‌ای زنگ‌مانند روی سطح کانی تشکیل می‌دهد. این لایه اکسید آهن به عنوان یک سد فیزیکی عمل کرده و نرخی را که سنگ می‌تواند به استخراج کربن از آب ادامه دهد، به شدت کند می‌کند.[2][4]

برای عبور از این لایه غیرفعال‌کننده، یک تیم مشترک از موسسه ویس در دانشگاه هاروارد، دانشکده پزشکی هاروارد و دانشکده پایداری دوئر استنفورد به سراغ سیدروفورها رفتند. سیدروفورها مولکول‌های تخصصی هستند که توسط برخی میکروارگانیسم‌ها ترشح می‌شوند تا به آهن موجود در محیط متصل شده و آن را استخراج کنند. این مولکول‌ها با به دام انداختن آهن اکسیدشده و حل کردن آن، سطح کانی را به طور موثری زنگ‌زدایی می‌کنند و الیوین تازه را در معرض آب دریا قرار می‌دهند تا چرخه هوازدگی بدون وقفه ادامه یابد.[1][3]

پژوهشگران به سرپرستی نیل دالوی، مهندس شیمی، در کنار محققان ارشد پاملا سیلور و مایکل اسپرینگر، به طور خاص باکتری اقیانوسی و پراکنده «آلتروموناس مک‌لئودی» را هدف قرار دادند. اگرچه باکتری‌های طبیعی سیدروفور تولید می‌کنند، اما معمولاً به محض تشخیص آهن کافی در محیط اطراف خود، ترشح آن‌ها را متوقف می‌کنند؛ یک تنظیم ژنتیکی که از هوازدگی پیوسته سنگ جلوگیری می‌کند.

این تیم ژنوم باکتری را ویرایش کرد تا این حلقه بازخورد را غیرفعال کند و میکروب‌ها را وادار سازد تا بدون توجه به غلظت آهن محیط، سیدروفورها را بیش از حد تولید کنند.[1][4][5]

دالوی، پژوهشگر زیست‌شناسی مصنوعی در دانشکده پزشکی هاروارد، می‌گوید: «برخی افراد هوازدگی سنگ را به عنوان یک راه‌حل جادویی برای تغییرات اقلیمی توصیف می‌کنند. مشکل اینجاست که این روند بسیار کند است. ما راهی پیدا کرده‌ایم که می‌تواند این فرآیند را عملی کند و شاید مهم‌تر از آن، اکنون مدلی داریم تا محاسبه کنیم اجرای این طرح در مقیاس بزرگ چگونه خواهد بود.»[5]

این تیم سویه مهندسی‌شده را در بیورآکتورهای معدنی با جریان پیوسته که برای شبیه‌سازی شرایط استقرار ساحلی طراحی شده بودند، اعتبارسنجی کرد. آب دریای تصفیه‌نشده با سرعت ۱.۵ لیتر در روز، در کنار یک ماده اولیه استات تجدیدپذیر برای حفظ جمعیت باکتریایی، به داخل سیستم پمپاژ شد. در طی یک دوره ۷۲ ساعته حالت پایدار، میکروب‌های اصلاح‌شده نرخ انحلال سیلیکون، آهن و نیکل از بستر الیوین را در مقایسه با مخازن کنترل حاوی باکتری‌های اصلاح‌نشده، تقریباً سه برابر افزایش دادند.[4][5]

تغییر شیمیایی حاصل، مستقیماً بر ظرفیت ترسیب کربن تأثیر می‌گذارد. با انحلال سریع‌تر الیوین، قلیائیت در آب دریا تولید می‌شود. این تغییر قلیایی به آب اجازه می‌دهد تا دی‌اکسید کربن بیشتری را از فضای فوقانی رآکتور جذب کرده و آن را به صورت بی‌کربنات محلول به دام بیندازد. در سیستم آزمایشی، افزایش ۲.۶ برابری در هوازدگی مستقیماً به حذف اندازه‌گیری‌شده ۰.۵۰ گرم دی‌اکسید کربن جوی در روز ترجمه شد، که ثابت می‌کند این مداخله بیولوژیکی به کاهش واقعی کربن منجر می‌شود.[2][4]

هوازدگی تسریع‌شده سنگ‌ها در حال حاضر توسط چندین شرکت فناوری اقلیمی دنبال می‌شود که معمولاً سنگ‌های سیلیکاتی خردشده را روی زمین‌های کشاورزی یا آب‌های ساحلی پخش می‌کنند. در حالی که این رویکرد ایمن در نظر گرفته می‌شود و بر مواد فراوان متکی است، نرخ انحلال طبیعی به این معنی است که ممکن است دهه‌ها طول بکشد تا بازگشت انرژی سرمایه‌گذاری‌شده در استخراج و حمل‌ونقل سنگ مشاهده شود.

با ادغام زیست‌شناسی مصنوعی، تأسیسات از نظر تئوری می‌توانند همان حجم سنگ را در کسری از زمان پردازش کنند، که به فضای فیزیکی کمتری نیاز دارد و اعتبارات کربن را سریع‌تر تولید می‌کند.[1][2]

مقیاس‌پذیری این فناوری از یک رآکتور آزمایشگاهی ۴ کیلوگرمی به یک تأسیسات صنعتی، نیازمند پرداختن به تدارکات نگهداری میکروبی است. تحلیل چرخه حیات پژوهشگران نشان می‌دهد که سود خالص کربن این سیستم به شدت به استفاده از مواد اولیه تجدیدپذیر برای تغذیه باکتری‌ها و به حداقل رساندن نیاز به جایگزینی مداوم سلول‌های مهندسی‌شده بستگی دارد. رآکتورهای آزمایشی نشان دادند که باکتری‌ها در عرض سه هفته بیوفیلم‌های پایداری روی سطوح الیوین تشکیل می‌دهند، که نشان می‌دهد آن‌ها می‌توانند خود را در یک محیط با جریان پیوسته با حداقل مداخله حفظ کنند.[4][5]

مرحله بعدی توسعه شامل فراتر رفتن از آب دریای کنترل‌شده آزمایشگاهی و حرکت به سمت آزمایش‌های سیستم باز و بزرگ‌تر برای ارزیابی برهم‌کنش‌های اکولوژیکی است. اگرچه «آلتروموناس مک‌لئودی» بومی اقیانوس است، اما استقرار سویه‌های اصلاح‌شده ژنتیکی در مقیاس صنعتی نیازمند پروتکل‌های مهار سخت‌گیرانه یا کلیدهای مرگ ژنتیکی داخلی برای جلوگیری از پیامدهای زیست‌محیطی ناخواسته است. مدل فعلی بیورآکتور این فرآیند را محصور نگه می‌دارد و یک محیط کنترل‌شده را ارائه می‌دهد که در آن هوازدگی تسریع‌شده می‌تواند پیش از بازگرداندن آب قلیایی به اقیانوس، اندازه‌گیری و تأیید شود.[2][4][6]