Несмотря на разнообразие живых организмов, способных вырабатывать разные ферменты для эффективного преобразования простого и хорошо известного всем углекислого газа, т.е. диоксида углерода в простые органические соединения, до настоящего времени не было найдено простого способа использования этой способности для получения биотоплива или возобновляемых источников ценных химических веществ. Высокая концентрация углекислого газа в атмосфере является актуальной проблемой, однако некоторые учёные рассматривают её как потенциальный ресурс. Группа исследователей из известного Института земной микробиологии Общества Макса Планка в Марбурге, Германия, разработала для растений новый эффективный метод переработки CO2 на основе нового фермента для связывания углерода. Этот метод гипотетически может ускорить данный процесс в 2-3 раза.
Растения и водоросли играют важную роль в снижении уровня углекислого газа в атмосфере, ежегодно поглощая около 350 миллиардов тонн CO2 во всем мире. Подавляющее большинство растений осуществляет этот процесс с помощью единого химического процесса, известного как цикл Кальвина.
Цикл Кальвина представляет собой набор молекулярных превращений, в процессе которых три простых атома молекулы СО2 медленно преобразуются в глюкозу, сложный сахар. Этот способ достаточно хорошо отлажен эволюцией, но ученые нашли способ его улучшить.
Успешное завершение цикла Кальвина зависит от конкретного молекулярного инструмента – рибулозобисфосфаткарбоксилаза (RuBisCO) – фермента, который захватывает СО2 из атмосферы и формирует крупную молекулу, чтобы начать превращение. Проблема в том, что RuBisCO делает это относительно медленно. Кроме того, каждая пятая попытка RuBisCO зафиксировать CO2 приводит потерям углерода из цикла Кальвина и снижает эффективность фотосинтеза.
Биохимики во главе с Тобиасом Эрбом разработали в пробирке цикл поглощения углерода, во многом схожий с циклом Кальвина. Главное отличие нового способа заключается в том, что в нем используются более быстрый и эффективный молекулярный инструмент – фермент ECR, который выполняет ту же работу, что и RuBisCO, только, примерно, в 9 раз быстрее. Эрб назвал этот процесс циклом CETCH. Помимо фермента ECR, ученые путем секвенирования и синтеза вывели еще 16 катализаторов из 9 различных организмов для CETCH цикла.
Цикл CETCH превращает переносимый по воздуху СО2 в глиоксилат за 11 шагов. На каждом этапе требуется фермент, трансформирующий молекулы. Каждый из таких ферментов был тщательно отобран из 40 тысяч известных катализаторов. Некоторые из них обнаружились в организме человека и кишечных бактериях, другие взяли из растений и микробов, обитающих в Мировом океане.
Эрб и его коллеги проверили CETCH цикл в своей лаборатории. Они соединили все добытые катализаторы с некоторым количеством химического топлива и подсчитали, сколько углекислого газа было изъято из воздуха. Они обнаружили, что их цикл на 25% эффективнее, чем цикл Кальвина в растениях и водорослях. CETCH преобразует диоксид углерода в органические молекулы со скоростью 5 нмоль СО2 в минуту на миллиграмм белка.
Ободренный успешным восстановлением синтетической ферментативной сети в пробирке, которая, к тому же, может конкурировать с природными циклами, Эрб открывает сразу несколько дверей для использования технологии CETCH. Если ввести синтетические ферменты в живой организм, цикл CETCH поддержит естественный фотосинтез. В конце концов, он же может послужить толчком разработки самодостаточного, полностью синтетического углеродного обмена веществ в бактериальных и водорослевых системах.
Эрб отмечает, что на этом этапе очень трудно спрогнозировать, насколько быстрым будет синтезированный CETCH по сравнению с циклом Кальвина, который работает в живых организмах. Но поскольку он проходит меньшее количество этапов и его ферменты быстрее, ученые ожидают ускорения в два или три раза. В конечном итоге он может оказаться немного медленнее, чем цикл Кальвина. Ученые просто не знают этого наверняка, пока.
Хотя глиоксилат, который получается в ходе цикла CETCH во многом бесполезен сам по себе, его можно легко преобразовать в другое химическое вещество, пригодное для производства биотоплива или анитибиотиков.
Ученые надеются, что однажды цикл CETCH можно будет внедрить в живой организм с помощью методов генной инженерии. Однако это весьма непростая задача, для решения которой необходимо провести множество исследований. Сейчас команда Эрба не имеет ни малейшего представления о том, что произойдет, если их цикл разместить внутри системы живой клетки.
«Попробуйте вообразить, будто ученым удалось создать что-то вроде искусственных листьев или любую другую гибридную систему, в которой фотоэлектрические солнечные батареи могут обеспечить энергией водоросли и бактерии, живущие под ними. Тогда, используя цикл CETCH, они смогут поглощать диоксид углерода и вырабатывать полезные химические вещества» – говорит Тобиас Эрб.
Сейчас в основе всей химической промышленности лежит использование ископаемого топлива. Пластмассы и текстиль, техника и антибиотики – все это производится с огромным количеством выбросов углекислого газа. Вместо того, чтобы обременять планету новыми выбросами, химическое производство могло бы активно бороться с изменением климата, создавая полезные продукты из CO2.
Научная работа опубликована в журнале Science DOI: 10.1126 / science.aah5237
Другие способы поглощения углекислоты из атмосферы
Как применяются различные способы удаления углерода из атмосферы? Все они развиваются, потому что у каждого из них есть свои преимущества.
Помимо сокращения выбросов парниковых газов, начинают продвигаться различные способы прямого удаления углерода из атмосферы. Между ними есть большие различия. Они имеют свои преимущества и недостатки. Не существует только однo правильнoe pешение . Нам нужны все они, чтобы предотвратить потепление планеты более чем на 1,5 °C. Их необходимо использовать в больших масштабах и как можно скорее. Однако на данный момент все они имеют недостаточную мощность. Их необходимое развитие будет обеспечено, в частности, интересом со стороны компаний, которые ставят перед собой амбициозные климатические цели.
С точки зрения выбросов мы можем разделить компании на два типа. Первые – это прямые эмитенты CO2, такие как угольные электростанции, тепловые электростанции, производители стали и цемента. Их выбросы регулируются системой квот на выбросы. Oни финансово стимулирoвaны к постепенному сокращению выбросов. И эти сокращения происходят потому, что цена на квоты на выбросы резко возрастает, ускоряя отказ от угля. Второй тип – это компании, которые не выбрoсывают CO2 непосредственно из своих дымоходов, но косвенно способствуют выбросам CO2 через потребление электроэнергии, газа, бензина и т.д. Сегодня эти компании не обязаны снижать свой углеродный след. Но они будут испытывать все большее давление со стороны своих акционеров, кредиторов и клиентов, чтобы со временем значительно уменьшить свой углеродный след. Прогрессивные компании ставят перед собой амбициозные цели по достижению углеродной нейтральности к 2030 году. И именно отношение этих компаний будет способствовать развитию различных способов удаления углерода из атмосферы в ближайшие годы, потому что им понадобится кто-то, кто удалит их косвенные выбросы из атмосферы за них. Поэтому они будут покупать углеродные кредиты, называемые офсетами, поскольку без их использования они не смогут добиться углеродной нейтральности во всей своей цепочке поставок и спроса.
Более 95% компенсаций, предложенных до 2020 года, были проектами, направленными на предотвращение дальнейших выбросов, например, путем защиты тропических лесов от вырубки, или направленными на снижение выбросов путем использования более эффективной технологии для производства электроэнергии или тепла. В настоящее время все более популярными становятся офсеты, которые непосредственно удаляют углерод из атмосферы, известные как удаление углекислого газа (CDR). При этом используются природные принципы фотосинтеза или минерализации, либо применяются некоторые современные технологии.
Существует шесть основных способов удаления углерода из атмосферы:.
1) Лесовосстановление и облесение
Деревья особенно хорошо накапливают углерод, удаленный из атмосферы в результате фотосинтеза. Расширение, восстановление и улучшение управления лесами для стимулирования большего поглощения углерода может использовать силу фотосинтеза для преобразования атмосферного углекислого газа в углерод, хранящийся в древесине и почве.
Основным преимуществом этого решения является его высокая поглощающая способность при цене около 10 долларов США за тонну CO2. В то же время они приносят значительные сопутствующие выгоды, такие как очистка воды и воздуха. Леса также поддерживают малый круговорот воды, охлаждают местный климат и помогают поддерживать биоразнообразие в ландшафте. Поэтому он также является наиболее используемым методом проекта CDR.
Одна из главных задач – обеспечить, чтобы расширение лесов в одном районе не происходило за счет лесов в других районах. Например, облесение сельскохозяйственных земель приведет к сокращению предложения продовольствия. Это может привести к необходимости перевода других лесов в сельскохозяйственные угодья, если повышение производительности фермерских хозяйств не восполнит этот пробел. Аналогичным образом, неспособность заготовить древесину в одном лесу может привести к чрезмерной заготовке в другом лесу. Таким образом, ограничения для облесения связаны с отсутствием подходящих участков для облесения. Тем более важно не допустить вырубки тропических лесов, поскольку они являются огромным поглотителем углерода. Восстановление тропических лесов обычно улавливает 11 тонн CO2 на гектар в год, но потеря одного гектара зрелого леса может высвободить более чем в 30 раз больше CO2 – более 400 тонн – за один раз.
Примеры проектов: Pachama, NCX.
2) Углерод почвы
Почва естественным образом накапливает углерод в органических веществах. В почве содержится в 3 раза больше углерода, чем в атмосфере. Промышленное сельское хозяйство исторически выбрасывало большое количество углерода в атмосферу, поэтому сельскохозяйственные почвы сегодня во многих местах деградируют, теряют плодородие, не способны удерживать достаточное количество воды и не устойчивы к ветровой и водной эрозии. Поскольку сельскохозяйственные угодья столь обширны, даже небольшое увеличение количества углерода в почве может оказать большое влияние.
Было доказано, что Регенеративное земледелие увеличивает содержание углерода в почве и обеспечивает множество сопутствующих преимуществ. Посадка покровных культур на пустых полях может продлить фотосинтез в течение всего года и, если уменьшить механическое и химическое нарушение почвы, может сохранить около 10 тонн CO2 на гектар в год, как показали проекты в Австрии или Германии. Самой большой проблемой является радикальное изменение методов ведения сельского хозяйства, которое также должно быть постоянным, поскольку возврат к вспашке от одного года к другому может свести на нет предыдущие достижения углерода в почве.
Примеры проектов: Carboneg, Nori, Indigo, Grassroots Carbon.
В торфяниках существует большой природный запас углерода. Хотя они составляют всего 3% суши Земли, в них содержится 42% углерода, который хранится в почве в целом. Поэтому создаются проекты по восстановлению торфяников, чтобы повысить способность этой экосистемы фиксировать углерод.
Пример проекта: Moor Futures.
3) Использование биомассы
Производство биоэнергии с улавливанием и хранением углерода (BECCS) – еще один способ использования фотосинтеза для борьбы с изменением климата. Однако это гораздо сложнее, чем посадка деревьев или управление земельными ресурсами – и не всегда благоприятно для климата.
BECCS – это процесс использования биомассы для производства энергии в промышленности, энергетике или на транспорте, улавливания ее выбросов перед выбросом обратно в атмосферу и последующего хранения уловленного углерода либо под землей, либо в продуктах с длительным сроком службы, таких как бетон.
Важно, что BECCS в целом являются углеродно-отрицательными и используют в качестве топлива в основном сельскохозяйственные остатки или древесные отходы из близлежащих районов. Эти виды сырья могут стать ключевыми для будущего BECCS, поскольку они не требуют специального землепользования. В этом случае BECCS может принести ожидаемые климатические выгоды.
Другим вариантом использования биомассы для поглощения углерода является преобразование биомассы путем пиролиза в биосахар или углекислые масла, которые могут храниться под землей практически постоянно, что является их главным преимуществом.
Примеры проектов: Charm, Carbofex.
4) Прямое улавливание углерода из воздуха
Прямое улавливание воздуха (DAC) – это процесс химической очистки углекислого газа непосредственно из окружающего воздуха с последующим его хранением либо под землей, либо в продуктах длительного хранения. Эта новая технология похожа на технологию улавливания и хранения углерода, используемую для улавливания выбросов от таких источников, как электростанции и промышленные предприятия. Разница в том, что при прямом атмосферном улавливании избыточный углерод удаляется непосредственно из атмосферы, а не улавливается в источнике.
Прямое улавливание воздуха относительно легко измерить и учесть его климатические преимущества, а потенциальный диапазон его применения огромен. Однако эта технология все еще остается дорогой и энергоемкой. Поэтому мощности существующих проектов все еще относительно невелики, поскольку для достижения чистого удаления углерода им требуется достаточное количество энергии без выбросов. В то же время рядом должно быть подходящее постоянное хранилище.
Примеры проектов: Climeworks, Carbon Engineering.
5) Минерализация углерода
Некоторые минералы, такие как оливин, естественным образом реагируют с CO2, превращая углерод из газа в твердое вещество. Этот процесс обычно называют углеродной минерализацией или усиленным выветриванием и, естественно, происходит очень медленно, в течение сотен или тысяч лет.
Цель этого проекта CDR – ускорить естественное химическое выветривание минерала путем распределения большого количества грунта, содержащего, например, оливин, на большой площади. Основным преимуществом является практически постоянное хранение углерода. Ограничение заключается в поиске подходящего и достаточного источника конкретного минерала, достаточной территории для рассеивания и добычи и транспортировки большого количества породы с низким уровнем выбросов.
Примеры проектов: Vesta, Heirloom.
6) Использование океанов
Основным методом связывания углерода в океане является фотосинтез в прибрежных растениях, морских водорослях или фитопланктоне. Выращивание морских водорослей может способствовать удалению углерода, восстановлению экосистем, а также уменьшению подкисления океана. Преимущество этого варианта заключается в обширных просторах океанов и большом потенциале поглощения углерода благодаря быстрому росту водорослей. Однако до сих пор мало известно экологическоe воздействиe этих подходов, и необходимы дальнейшие исследования для лучшего понимания потенциальных рисков, прежде чем эти подходы могут быть внедрены в широком масштабе.
В ближайшем будущем культивируемые морские водоросли могут также использоваться для производства таких продуктов, как продукты питания, топливо и удобрения, что, хотя и не приведет к удалению углерода, может снизить выбросы по сравнению с традиционным производством и обеспечить экономическую отдачу, которая поддержит рост отрасли.
