Ciencia

Uso de bacterias para acelerar la captura de CO2 en los océanos

El investigador de Berkeley Lab, Peter Agbo, recibió una subvención para un proyecto de captura de carbono en el marco de la Iniciativa de Carbono Negativo del Laboratorio. (Crédito: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

– Por Julie Chao

Es posible que esté familiarizado con la captura directa de aire, o DAC, en la que se elimina el dióxido de carbono de la atmósfera en un esfuerzo por frenar los efectos del cambio climático. Ahora, un científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha propuesto un esquema para la captura directa del océano. Eliminación de CO2 de los océanos les permitirá seguir haciendo su trabajo de absorber el exceso de CO2 de la atmósfera.

La mayoría de los expertos están de acuerdo en que combatir el cambio climático requerirá más que detener las emisiones de gases que calientan el clima. También debemos eliminar el dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero que ya se han emitido, por una suma de gigatoneladas de CO2 eliminado cada año para 2050 con el fin de lograr cero emisiones netas. Los océanos contienen significativamente más CO2 que la atmósfera y han estado actuando como un importante sumidero de carbono para nuestro planeta.

Peter Agbo es científico del personal de Berkeley Lab en la División de Ciencias Químicas, con un cargo secundario en la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada. Recibió una beca a través de Berkeley Lab’s Iniciativa de carbono negativo, que tiene como objetivo desarrollar tecnologías innovadoras de emisiones negativas, para su propuesta de captura oceánica. Sus co-investigadores en este proyecto son Steven Singer en el Joint BioEnergy Institute y Ruchira Chatterjee, científica en la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada de Berkeley Lab.

P. ¿Puede explicar cómo imagina que funcionará su tecnología?

Lo que esencialmente estoy tratando de hacer es convertir CO2 a la piedra caliza, y una forma de hacerlo es usar agua de mar. La razón por la que puede hacer esto es porque la piedra caliza está compuesta de magnesio, o lo que se llama carbonatos de magnesio y calcio. Hay una gran cantidad de magnesio y calcio que residen naturalmente en el agua de mar. Así que si tienes CO libre2 flotando en el agua de mar, junto con ese magnesio y calcio, formará naturalmente piedra caliza hasta cierto punto, pero el proceso es muy lento, en escalas de tiempo geológico limítrofes.

Resulta que el cuello de botella en la conversión de CO2 a estos carbonatos de magnesio y calcio en el agua de mar es un proceso que es naturalmente catalizado por una enzima llamada anhidrasa carbónica. No es importante saber el nombre de la enzima; solo es importante saber que cuando agrega anhidrasa carbónica a esta mezcla de agua de mar, básicamente puede acelerar la conversión de CO2 a estas calizas en condiciones adecuadas.

Entonces, la idea es ampliar esto: dibujar CO2 fuera de la atmósfera hacia el océano y finalmente en algún producto de piedra caliza que podrías secuestrar.

P. Fascinante. Entonces, desea convertir el dióxido de carbono en roca mediante un proceso que ocurre naturalmente en el agua de mar, pero acelerándolo. Esto suena casi como ciencia ficción. ¿Cuáles son los desafíos para hacer que esto funcione?

Para absorber CO2 del aire lo suficientemente rápido para que la tecnología funcione, debe resolver el problema de cómo proporcionar suficiente cantidad de esta enzima para poder implementar este proceso a una escala significativa. Si simplemente tratáramos de suministrar la enzima como un producto puro, no podría hacerlo de una manera económicamente viable. Entonces, la pregunta que estoy tratando de responder aquí es, ¿cómo harías esto? También debe encontrar formas de estabilizar el pH y mezclar suficiente aire para elevar y mantener su CO2 concentración en agua.

La solución que se me ocurrió fue, bueno, dado que sabemos que la anhidrasa carbónica es una proteína, y las proteínas son sintetizadas naturalmente por sistemas bioquímicos, como las bacterias, que podemos manipular, luego podríamos tomar bacterias y luego diseñarlas para producir carbónico. anhidrasa para nosotros. Y puedes seguir cultivando estas bacterias mientras las alimentes. Sin embargo, un problema es que ahora ha cambiado la carga del costo al suministro de suficientes alimentos para producir suficientes bacterias para producir suficientes enzimas.

Una forma de evitar este problema sería usar bacterias que puedan crecer usando energía y nutrientes que están fácilmente disponibles en el entorno natural. Así que esto apuntaba hacia las bacterias fotosintéticas. Pueden usar la luz solar como fuente de energía, y también pueden usar CO2 como su fuente de carbono para alimentarse. Y ciertas bacterias fotosintéticas también pueden usar los minerales que se encuentran naturalmente en el agua de mar esencialmente como vitaminas.

P. Interesante. Entonces, el camino para capturar el exceso de CO2 radica en ser capaz de diseñar un microbio?

Potencialmente de una manera, sí. En lo que he estado trabajando en este proyecto es en desarrollar una bacteria genéticamente modificada que sea fotosintética y esté diseñada para producir una gran cantidad de anhidrasa de carbono en su superficie. Entonces, si lo pusieras en agua de mar, donde tienes mucho magnesio y calcio, y también CO2 presente, vería una rápida formación de piedra caliza. Esa es la idea básica.

Es un proyecto pequeño por ahora, así que decidí centrarme en obtener el organismo modificado. En este momento, simplemente estoy tratando de desarrollar el sistema catalizador primario, que son las bacterias modificadas con enzimas para impulsar la mineralización. Las otras piezas no triviales de este enfoque: cómo diseñar adecuadamente el reactor para estabilizar el CO2 las concentraciones y el pH necesarios para que este esquema funcione son desafíos futuros. Pero he estado usando simulaciones para informar mis enfoques a esos problemas.

Es un proyecto divertido porque en un día cualquiera mis co-PI y yo podríamos estar haciendo electroquímica física o manipulación genética en el laboratorio.

P. ¿Cómo se vería esto una vez ampliado? ¿Y cuánto carbono sería capaz de secuestrar?

Lo que imaginé es que la bacteria se cultivaría en un biorreactor a escala de planta. Básicamente, hace fluir agua de mar en este biorreactor mientras mezcla activamente el aire, y procesa el agua de mar, convirtiéndola en piedra caliza. Idealmente, probablemente tenga algún tipo de proceso de centrifugación aguas abajo para extraer los sólidos, que tal vez podría ser impulsado por el flujo de agua en sí, que luego ayuda a extraer los carbonatos de piedra caliza antes de expulsar el agua de mar agotada. Una alternativa que posiblemente podría resolver las restricciones de pH de la mineralización sería implementar esto como un proceso reversible, donde también usa la enzima para reconvertir el carbono que ha capturado en el agua de mar de nuevo a un CO más concentrado.2 (el comportamiento de la anhidrasa carbónica es reversible).

Lo que he calculado para este sistema, asumiendo que la proteína anhidrasa carbónica se comporta en la superficie bacteriana, más o menos, de la misma manera que lo hace en solución libre, sugeriría que necesitaría una planta que tenga solo alrededor de 1 millón de volumen de litro, que en realidad es bastante pequeño. Uno de esos podría llevarlo a aproximadamente 1 megatón de CO2 capturado por año. Sin embargo, muchas suposiciones están integradas en ese tipo de estimación, y es probable que cambie a medida que avanza el trabajo.

La construcción de 1.000 instalaciones de este tipo en todo el mundo, que es un número pequeño en comparación con las 14.000 instalaciones de tratamiento de agua en los Estados Unidos solamente, permitiría la captura anual de CO2 atmosférico a escala de gigatones.

# # #

Fundada en 1931 con la creencia de que los mayores desafíos científicos se abordan mejor en equipo, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus científicos han sido reconocidos con 14 premios Nobel. En la actualidad, los investigadores de Berkeley Lab desarrollan soluciones medioambientales y de energía sostenible, crean nuevos materiales útiles, avanzan en las fronteras de la informática y exploran los misterios de la vida, la materia y el universo. Científicos de todo el mundo confían en las instalaciones del laboratorio para su propia ciencia de descubrimiento. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma, administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

La Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para mayor información por favor visite energía.gov/ciencia.

Publicaciones relacionadas

Botón volver arriba