Τα φυσικά οικοσυστήματα δεσμεύουν αποτελεσματικά το CO2, αλλά η συγκράτηση και ο έλεγχος των ζωντανών συστημάτων παραμένει πρόκληση.
Μια νέα μελέτη σχετικά με τη δέσμευση άνθρακα
Σε μια νέα μελέτη κατασκευάζεται ένα φωτοσυνθετικό ζωντανό υλικό για διπλή δέσμευση CO2 που αξιοποιεί την παραγωγή βιομάζας και τον σχηματισμό αδιάλυτου ανθρακικού άλατος μέσω μικροβιακά επαγόμενης καθίζησης ανθρακικού άλατος (MICP). Για να γίνει αυτό, ακινητοποίησαν τους φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς μέσα σε ένα εκτυπώσιμο πολυμερικό δίκτυο.
Ο ψηφιακός σχεδιασμός και η κατασκευή των ζωντανών δομών εξασφαλίζουν επαρκή πρόσβαση στο φως και παροχή θρεπτικών συστατικών στα ενθυλακωμένα κυανοβακτήρια, επιτρέποντας τη μακροχρόνια καλλιέργεια για πάνω από ένα χρόνο. Τα φωτοσυνθετικά ζωντανά υλικά είναι σε θέση να δεσμεύσουν 2,2 ± 0,9 mg CO2 ανά γραμμάριο υλικού υδρογέλης σε διάστημα 30 ημερών και 26 ± 7 mg CO2 σε διάστημα 400 ημερών. Αυτά τα ευρήματα υπογραμμίζουν τις δυνατότητες των φωτοσυνθετικών ζωντανών υλικών για κλιμακωτή δέσμευση άνθρακα χαμηλής συντήρησης με εφαρμογές σε υποδομές με ουδέτερο ισοζύγιο άνθρακα και μετριασμό του CO2.
Ποια είναι τα δεδομένα που μελετήθηκαν
Τα βιολογικά οικοσυστήματα, όπως τα δάση, τα υδάτινα συστήματα και οι υγρότοποι, προσφέρουν αποτελεσματικές οδούς για τη δέσμευση άνθρακα (αποθήκευση άνθρακα σε μια δεξαμενή άνθρακα) και τη μετατροπή σε υλικά με βάση τον άνθρακα. Τα φυσικά συστήματα λειτουργούν υπό συνθήκες περιβάλλοντος με το ηλιακό φως και τα κοινώς διαθέσιμα μικρά μόρια ως μοναδικές εισροές. Επιπλέον, τα ζωντανά συστήματα μπορούν να αντιληφθούν, να αυτοεπιδιορθωθούν και να ανταποκριθούν στο περιβάλλον τους, καθιστώντας τα ανθεκτικά στις περιβαλλοντικές αλλαγές.
Η βιολογική δέσμευση άνθρακα, για παράδειγμα μέσω της δάσωσης ή της ανάπτυξης θαλάσσιου φυτοπλαγκτού και φυκών, είναι επίσης οικονομικά αποδοτική και φιλική προς το περιβάλλον. Σε αυτό το πλαίσιο, η φυσική δέσμευση άνθρακα μπορεί να χρησιμεύσει ως ένα παθητικό, χαμηλού αντίκτυπου συμπλήρωμα στη βιομηχανική δέσμευση άνθρακα, η οποία κανονικά απαιτεί συγκεκριμένες, ακραίες και ενεργοβόρες συνθήκες και εγγύτητα σε μεγάλες πηγές εκπομπών. Ωστόσο, η φυσική δέσμευση άνθρακα είναι συνήθως πιο αργή από τη βιομηχανική δέσμευση άνθρακα και ο έλεγχος των ζωντανών συστημάτων εκτός του φυσικού τους περιβάλλοντος είναι συχνά δύσκολος.
Ο σχεδιασμός για την δέσμευση άνθρακα
Οι στρατηγικές για τη σχεδίαση ζωντανών συστημάτων για ενεργή δέσμευση CO2 θα παρείχαν μια πρόσθετη προσέγγιση για τον μετριασμό της συσσώρευσης CO2 που παράγεται από τον άνθρωπο στην ατμόσφαιρα. Ο μηχανισμός συγκέντρωσης CO2 πολλών φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών συσσωρεύει CO2 μέσα στο κυτταρικό σώμα έως και 1000 φορές πάνω από τα επίπεδα περιβάλλοντος. Στη συνέχεια, ο συμπυκνωμένος άνθρακας μπορεί να δεσμευτεί με τη μορφή βιομάζας που παράγεται κατά την ανάπτυξη.
Εκτός από την παραγωγή βιομάζας, η μικροβιακά επαγόμενη καθίζηση ανθρακικού άλατος (MICP) σε ορισμένα είδη μπορεί να δεσμεύσει το CO2 μη αναστρέψιμα με τη μορφή ανόργανων ιζημάτων ανθρακικού άλατος. Η MICP προχωρά μέσω πολλαπλών μεταβολικών οδών, συμπεριλαμβανομένης της ουρεόλυσης, της αναγωγής θειικών και της απονιτροποίησης. Σε ορισμένους οργανισμούς, η MICP μπορεί να εμφανιστεί ως άμεσο υποπροϊόν της φωτοσύνθεσης, όπου τα ανόργανα ιζήματα λειτουργούν αποτελεσματικά ως μια πρόσθετη δεξαμενή άνθρακα, επιτρέποντας τη διπλή δέσμευση άνθρακα.
Σε αυτό το πλαίσιο, η ακινητοποίηση φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών, όπως τα φύκια και τα κυανοβακτήρια, μέσα σε μια μήτρα υποστήριξης μπορεί να παρέχει μια προσέγγιση για την προώθηση της βιολογικής δέσμευσης CO2 με τη μορφή μηχανικά φωτοσυνθετικών ζωντανών υλικών μέσω διπλής δέσμευσης άνθρακα.
Οι παλαιότερες εφαρμογές της μεθόδου
Μέχρι σήμερα, τα επεξεργασμένα ζωντανά υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί κυρίως για εφαρμογές στη βιοϊατρική, στην παραγωγή βιώσιμων υλικών και ως ζωντανά δομικά υλικά. Για παράδειγμα, το MICP έχει αξιοποιηθεί, κυρίως μέσω ουρεόλυσης, για τη μηχανική ενίσχυση ζωντανών υλικών με βάση τον in situ σχηματισμό μιας άκαμπτης ορυκτής φάσης. Ανθεκτικά σύνθετα υλικά παράχθηκαν μέσω βιομεταλλοποίησης χρησιμοποιώντας ουρεολυτική MICP εντός μιας μήτρας κυτταρίνης.
Ομοίως, τα ιζήματα που εναποτίθενται σε πορώδη υλικά γέμισαν ρωγμές και βελτίωσαν τις μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων δομών κτιρίων καθώς και των συμπαγών εδαφών. Το ουρεολυτικό MICP είναι ελκυστικό λόγω της σύντομης περιόδου επώασής του (συνήθως 1-4 ημέρες), της αντοχής στη μόλυνση και της ταχείας βιομεταλλοποίησης.
Οι περιβαλλοντικές ανησυχίες
Ωστόσο, δημιουργεί σημαντικές περιβαλλοντικές ανησυχίες λόγω της σχετικής παραγωγής μεγάλων ποσοτήτων (1-2 ισομοριακών) αμμωνίας. Επιπλέον, το ουρεολυτικό MICP απαιτεί σταθερή παροχή ουρίας και προχωρά μόνο σε ένα στενό εύρος περιβαλλοντικών συνθηκών. Αυτές οι προκλήσεις περιορίζουν τη χρήση της ουρεολυτικής MICP για μακροπρόθεσμη δέσμευση CO226.
Πρόσφατα, η φωτοσυνθετική MICP χρησιμοποιήθηκε για τον σχεδιασμό ζωντανών δομικών υλικών που ενισχύθηκαν από την ανοργανοποίηση με την πάροδο του χρόνου. Ενώ τα φωτοσυνθετικά ζωντανά υλικά έχουν διερευνηθεί για δέσμευση άνθρακα μέσω αναστρέψιμης συσσώρευσης βιομάζας, δεν έχουν διερευνηθεί για δέσμευση CO2 μέσω συσσώρευσης βιομάζας και μη αναστρέψιμης MICP χρησιμοποιώντας το ατμοσφαιρικό CO2 ως κύρια πηγή άνθρακα και το φως ως μοναδική πηγή ενέργειας.
Η διπλή δέσμευση άνθρακα μέσω της παραγωγής βιομάζας και του σχηματισμού αδιάλυτου ανθρακικού άλατος προχωρά κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής (πέραν του ενός έτους) των βιοεκτυπωμένων δομών. Η ορυκτή φάση ενισχύει μηχανικά τα ζωντανά υλικά και αποθηκεύει τον δεσμευμένο άνθρακα σε πιο σταθερή μορφή. Αυτή η εργασία παρέχει μια στρατηγική για τη σχεδίαση φωτοσυνθετικών ζωντανών υλικών ως μια κλιμακούμενη μέθοδο δέσμευσης CO2 για να συμπληρώσει τις τρέχουσες στρατηγικές για τον μετριασμό της συσσώρευσης CO2 στην ατμόσφαιρα.
www.worldenergynews.gr
