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Meeresbakterium macht Olivin zum schnelleren CO₂-Speicher
Die natürliche Verwitterung von Silikatgestein bindet Kohlendioxid, läuft aber so langsam ab, dass eine technische Nutzung bislang schwierig ist. Forscher haben nun ein Meeresbakterium so verändert, dass es Olivin schneller auflöst, und in Pilotreaktoren mit unbehandeltem Meerwasser einen messbaren CO₂-Entzug aus der Luft erreicht.
Boston (U.S.A.). Silikatgesteine wie Olivin können bei ihrer Verwitterung Kohlendioxid dauerhaft in gelösten Hydrogencarbonat-Ionen binden. Deshalb wird die beschleunigte Gesteinsverwitterung, englisch Enhanced Rock Weathering (ERW), als mögliche Technik zur CO₂-Entnahme untersucht. Ein zentrales Problem ist das Tempo, denn selbst fein zerkleinertes Gestein löst sich oft so langsam, dass die CO₂-Entnahme schwer zu messen und technisch aufwendig bleibt.
Forscher der Harvard Medical School (HMS) um Neil C. Dalvie haben deshalb untersucht, ob ein natürliches Meeresbakterium die Reaktion beschleunigen kann. Ihr Ansatz nutzt Alteromonas macleodii und dessen Siderophore, also Moleküle, die Eisen binden und in Lösung halten. So kann sich weniger bremsendes Eisenoxid auf der Olivinoberfläche ablagern.
In natürlichen Zellen ist die Siderophorproduktion an Eisenmangel gekoppelt und wird heruntergeregelt, sobald die Bakterien genügend Eisen aufnehmen können. Das Team veränderte deshalb die Steuerung der Petrobactin-Synthese so, dass A. macleodii die eisenbindenden Moleküle auch bei reichlich verfügbarem Eisen weiter produziert.
„Sobald wilde Bakterien genug Eisen zum Wachsen haben, stellen sie die Produktion von Siderophoren vollständig ein“, erklärt Neil C. Dalvie.
Die veränderte Variante erhöhte in kleinen kontinuierlichen Reaktoren die Auflösungsrate des Olivins, gemessen anhand der Nickel-Freisetzung, um den Faktor 2,6 ± 1,0 gegenüber der abiotischen Kontrolle. Dieser Unterschied war nach statistischer Korrektur signifikant. Wildtyp-Bakterien lieferten unter denselben Bedingungen keinen signifikanten Vorteil gegenüber der abiotischen Kontrolle.
Für den nächsten Schritt bauten die Forscher kontinuierlich betriebene Pilotreaktoren mit insgesamt vier Kilogramm Olivinsand und unbehandeltem Meerwasser aus dem Bostoner Hafen. Sie nutzten Acetat als Kohlenstoffquelle und gaben die genetisch veränderten Zellen regelmäßig neu hinzu. Zwischen Tag 36 und 48 stieg die Freisetzung von Magnesium aus dem Olivin in den Reaktoren mit den veränderten Bakterien um den Faktor 3,1.
Gleichzeitig erzeugten diese Reaktoren nach Abzug der Hintergrundwerte 0,57 Gramm Alkalinität, angegeben als Calciumcarbonat, pro Tag. Das entspricht rechnerisch einer Entnahme von 0,50 Gramm CO₂ täglich aus der Luft. Die Forscher leiteten diesen Wert aus der gemessenen Alkalinitätsbildung ab, die mit der Auflösung des Silikatgesteins zunimmt.
Der Vergleich ist komplexer als ein einfacher Bakterien-gegen-Nichts-Test, weil der Pilotreaktor ohne Nährstoffzugabe keine Netto-CO₂-Entnahme erreichte und Nebenreaktionen offenbar Calcium aus dem Meerwasser entfernten. Ein Reaktor mit Nährstoffen und natürlicher Mikrobengemeinschaft erzeugte dagegen bereits Alkalinität. Der zusätzliche Effekt der veränderten Bakterien zeigte sich in der stärkeren Mineralauflösung und der darüber hinausgehenden Alkalinitätsbildung.
Ob das Verfahren auch in großem Maßstab eine günstige Klimabilanz hätte, haben die Forscher zusätzlich mit einer Lebenszyklusanalyse für einen hypothetischen Industriereaktor modelliert. Für die Variante mit den veränderten Bakterien und einer erneuerbaren Kohlenstoffquelle ergaben die Berechnungen eine Netto-CO₂-Entnahme von 1,13 Kilogramm pro Tag. Das wären rund 74 Prozent mehr als die 0,65 Kilogramm pro Tag des modellierten Kontrollsystems mit Meerwasser allein.