1

بیشتر اوقات، گاز دی‌اکسیدکربن (CO₂) به‌سادگی در هوا پخش می‌شود، اما نوعی باکتری ریز در خاک، راه متفاوتی در پیش گرفته است. این موجود میکروسکوپی، در شرایط مناسب، می‌تواند این گاز گلخانه‌ای را به سنگ آهک جامد تبدیل کند.

معرفی بازیگر اصلی: Bacillus megaterium

این فرایند حیرت‌انگیز به کمک باکتری Bacillus megaterium انجام می‌شود. پژوهش جدیدی نشان می‌دهد که این میکروارگانیسم چگونه می‌تواند کربن را با کارایی چشمگیری به حالت جامد قفل کند. دکتر دیمیتریوس ترزیس، نویسنده اصلی این مطالعه از آزمایشگاه مکانیک خاک دانشگاه EPFL در سوئیس، یافته‌های خود را منتشر کرده است.

فرآیند سریع تبدیل کربن به سنگ

آزمایش‌هایی با فشار فوق‌العاده بالا

درون فلاسک‌هایی که با گاز CO₂ تحت فشاری بیش از ۴۷۰ برابر فشار جو پر شده بودند، باکتری‌ها موفق شدند کربنات کلسیم رسوب دهند. شگفت‌انگیزتر اینکه ۹۴ درصد کربن موجود در این سنگ از گاز CO₂ تأمین شده بود؛ یعنی راندمدی بسیار بالاتر از جاذب‌های مهندسی‌شده مرسوم.

دلیل اهمیت این کارایی

دکتر ترزیس معتقد است که اگر بتوان از باکتری‌هایی استفاده کرد که مستقیماً از کربن تغذیه می‌کنند، راه‌اندازی صنعتی این فناوری بسیار ساده‌تر خواهد شد. چراکه صنایع آلاینده نیاز به راهکارهایی در محل دودکش دارند، نه هزاران کیلومتر دورتر.

اثبات عملکرد زیستی

تصاویر میکروسکوپی الکترونی نشان دادند که ساختار بلوری کربنات تولیدی، کاملاً با سنگ آهک طبیعی تطابق دارد. همچنین آزمایش‌های ایزوتوپی نشان داد که تنها ۶ درصد از کربن سنگ‌ها از اوره آمده و مسیر قدیمی‌تری که آمونیاک تولید می‌کند، در این فرایند تقریباً حذف شده است.

باکتری خاکی‌ای که در نقش سنگ‌تراش ظاهر شد

ویژگی‌های زیستی Bacillus megaterium

این باکتری میله‌ای شکل، هوازی و حدود ۴ میکرومتر طول دارد. پیش‌تر به دلیل تولید ویتامین B12، سنتز آنزیم‌ها و کمک به رشد گیاهان در بیوتکنولوژی شناخته شده بود. اما حالا ویژگی کمترشناخته‌شده‌ای از آن مورد توجه قرار گرفته: توانایی رسوب‌دهی کلسیت از طریق القای زیستی.

نامی برگرفته از اندازه

در سال ۱۸۸۴، اندازه بزرگ این باکتری موجب شد که آن را “مگاباکتریوم” بنامند. هرچند که امروزه آن را در دسته Priestia طبقه‌بندی می‌کنند، اما توانایی معدنی آن همچنان باقی مانده است.

جایگزینی فرآیندهای آلاینده با مسیر زیستی جدید

مشکل فرآیند کلاسیک اوره‌لیز

فرآیند سنتی «اوره‌لیز» از آنزیم «یورئاز» برای شکستن اوره، افزایش pH و ایجاد کلسیت استفاده می‌کند. اما مشکل آن، تولید آمونیاک است که برای حذف آن نیاز به پاک‌سازی پرهزینه وجود دارد.

راهکار مبتنی بر آنزیم «کربنیک آنهیدراز»

در روش جایگزین، آنزیمی به نام «کربنیک آنهیدراز» CO₂ را به بی‌کربنات تبدیل می‌کند، که سپس با کلسیم واکنش می‌دهد و سنگ تولید می‌کند؛ بدون پسماندهای سمی. نکته جالب اینکه این واکنش می‌تواند حتی در دودکش‌هایی با گاز کمی اسیدی نیز انجام شود.

سوئیچ طبیعی بین دو مسیر

مطالعه جدید نشان داد که در غلظت‌های CO₂ بیش از ۴۷۰ برابر، باکتری مسیر خود را از یورئاز به کربنیک آنهیدراز تغییر می‌دهد. این تغییر متابولیکی مانند یک «شیر اطمینان زیستی» عمل کرده و از تولید آمونیاک جلوگیری می‌کند.

مسیر پاک‌تری برای تولید سیمان

معضل بزرگ صنعت سیمان

تولید سیمان مسئول حدود ۸ درصد از کل انتشار دی‌اکسیدکربن جهانی است؛ معادل تقریباً سه میلیارد تن در سال. کاهش این رقم، از چالش‌برانگیزترین اهداف در سیاست‌های اقلیمی است.

جایگزینی بخشی از سیمان با کلسیت زیستی

اگر بخشی از سیمان با سنگ کلسیتی که توسط باکتری تولید می‌شود جایگزین گردد، می‌توان میلیون‌ها تن CO₂ را ذخیره کرد. چون این ماده معدنی در مقیاس زمین‌شناسی پایدار است، احتمال آزادسازی مجدد آن بسیار کم است.

دوام بالا در شرایط سخت

در مطالعات آزمایشی در دانمارک، بلوک‌های بتنی حاوی بیوکلسیت پس از ۳۰۰ چرخه یخ‌زدگی و ذوب، تنها ۲ درصد از مقاومت فشاری خود را از دست دادند. چنین دوام بالایی می‌تواند در آیین‌نامه‌های ساختمانی برای مواد کم‌کربن مزیت بزرگی محسوب شود.

مقیاس‌پذیری جذب کربن در صنعت

میکروبیولوژی در خدمت جذب کربن

پاملا پرینچی از دانشگاه SUPSI می‌گوید: «این مطالعه نشان می‌دهد که چگونه میکروبیولوژی محیطی با روش‌های آزمایشگاهی پیشرفته می‌تواند مکانیسم‌هایی را آشکار کند که در حالت عادی پنهان می‌مانند.»

او معتقد است که رهگیری ایزوتوپی، اثبات کرده کربن دقیقاً به کجا منتقل شده است.

فعالیت شرکت Medusoil و نوآوری در میدان عمل

این استارتاپ هم‌اکنون راکتورهای زیستی آزمایشی دارد و قصد دارد در میدان، با تزریق این کشت به سنگدانه‌ها، بلوک‌های باربر تولید کند. ادعای شرکت این است که نمونه‌های اولیه‌اش چند پوند CO₂ را به ازای هر فوت مکعب ماده جذب می‌کنند.

آینده دیوارهایی که گنجینه کربن هستند

مهندسی ژنتیک برای عملکرد در شرایط معمول

پژوهش‌های آتی بررسی خواهند کرد که آیا می‌توان با ویرایش ژنی، آنزیم کربنیک آنهیدراز را برای فعالیت در غلظت‌های معمولی CO₂ (یعنی بدون نیاز به فشار بالا) بهینه کرد یا نه.

کنترل خواص مکانیکی با پلیمرهای زیستی

گروه‌های تحقیقاتی همچنین در حال بررسی این هستند که آیا پلیمرهای آلی ترشح‌شده از باکتری‌ها می‌توانند شکل بلورهای سنگ را کنترل کرده و خواص مکانیکی دلخواه ایجاد کنند.

نهادهای مشارکت‌کننده

این پژوهش حاصل همکاری سه نهاد علمی و صنعتی است:

• مؤسسه فدرال فناوری سوئیس در لوزان (EPFL)
• دانشگاه علوم کاربردی جنوب سوئیس (SUPSI)
• شرکت نوآور Medusoil

این مطالعه در مجله Scientific Reports منتشر شده است.