Развод на деньги или панацея? Как кишечной палочкой хотят спасти Землю
Земля теплеет быстрее, чем ожидалось. Парниковые газы, выбрасываемые в атмосферу в основном за счет сжигания ископаемого топлива, согревают поверхность Земли интенсивнее, чем считалось ранее. Если выбросы углекислого газа не уменьшатся, то к 2100 г. средние температуры могут подняться на 7°C выше доиндустриального уровня. Это на два градуса больше, чем прогнозируется в 5-м оценочном отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) за 2014 г.
Об этом сообщили ученые в сентябре, презентуя новые климатические модели, которые должны заменить те, что используются в текущих прогнозах ООН. Новое поколение из более чем 30 климатических моделей, известных под общим названием CMIP6, станет основой следующего основного доклада МГЭИК в 2021 г.
CMIP6 расшифровывается как 6-я фаза Проекта взаимного сравнения сопряженных моделей. С каждой новой фазой ученые улучшают алгоритмы моделирования климата и вводят в базу данных результаты измерений из разных точек земного шара. Проект использует мощности суперкомпьютеров для проведения точных расчетов, а моделирование полагается на уточняющиеся с каждым годом представления ученых о зависимости погоды от различных факторов.
Основной вывод новых моделей заключается в том, что повышенный уровень углекислого газа в атмосфере будет нагревать поверхность Земли легче и проще, чем предполагалось в более ранних расчетах. Это означает большую вероятность достижения более высоких уровней глобального потепления даже после значительных сокращений выбросов.
Это плохая новость для борьбы с глобальным потеплением, которая продолжает сталкиваться с сильными политическими препятствиями и институциональной инерцией, несмотря на быстрое распространение общественной осведомленности и обеспокоенности. Более высокое потепление даст меньше времени на адаптацию и увеличит вероятность прохождения климатом точек перелома, таких как оттаивание вечной мерзлоты, что еще больше ускорит потепление.
Как сообщает AFP, ссылаясь на проект специального доклада МГЭИК об океанах и замороженных зонах Земли, к 2100 г. может растаять от трети до 99% верхнего слоя вечной мерзлоты. Это случится, если в мире не уменьшатся объемы ежегодных выбросов парниковых газов. Таяние вечной мерзлоты повлечет за собой еще больший нагрев атмосферы за счет высвобождения из почвы парниковых газов и исчезновения снега, который служит своеобразным зеркалом, отражающим солнечные лучи.
Хотя изменение климата становится все более очевидной проблемой, но все меньше надежд на то, что с ней смогут справиться правительства различных стран мира. Ведь они даже не способны обеспечить достижение государствами целей, поставленных в Парижском соглашении. Поэтому приходится надеяться не на государственные меры для сокращения выбросов парниковых газов, а на чудо. Ну или на то, что наука найдет инновационные решения и спасет Землю.
Волшебная палочка из Флориды
Решение, способное хотя бы частично облегчить проблему парниковых газов, предложили американские исследователи из Университета Южной Флориды. Новая биологическая методика, опубликованная в журнале Nature Chemical Biology, разработана профессором Рамоном Гонсалесом и его исследовательской группой.
Ученые модифицировали кишечную палочку (Escherichia coli) - известный уже более 130 лет вид бактерий, широко распространенных в нижней части кишечника теплокровных животных. Модифицированные микроорганизмы оказались очень эффективными в превращении одноуглеродных парниковых газов, таких как углекислый газ, метан, формальдегид, в более сложные химические соединения, которые можно использовать для производства множества потребительских и промышленных товаров.
Это исследование представляет собой значительный прорыв в биологической конверсии углерода. Оно может трансформировать текущие нефтехимические процессы, а также уменьшить количество парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу во время добычи сырой нефти.
Когда сырая нефть выкачивается из-под земли, вместе с ней поступает много попутного природного газа - метана. В настоящее время подавляющее большинство нефтедобывающих предприятий избавляются от метана, попросту сжигая его.
Профессор Гонсалес подчеркивает, что этот процесс не только расточителен, но еще и неэффективен и крайне вреден для экологии. Он приводит к выбросу в атмосферу несгоревшего метана, а также углекислого газа, образующегося в процессе сжигания метана.
Гонсалес полагает, что он и его команда разработали метод использования метана, являющийся экономически целесообразным и заманчивым для производителей нефти. Внедряя эту технологию, нефтедобытчики могли бы не только уменьшить свое вредное воздействие на окружающую среду, но и производить ценные химические соединения, такие как этиленгликоль и гликолевая кислота, которые используются в производстве пластмасс, косметики, полимеров, моющих средств и т. п. Традиционно строительные блоки для этих продуктов изготавливаются с использованием нефти. Таким образом, применение метода биоконверсии поможет не только снизить выбросы парниковых газов, но и ослабить общую зависимость от нефти.
Эта двойная выгода, надеется Гонсалес, побудит производителей нефти к изучению возможности освоения новой технологии. "В настоящее время мы работаем с партнерами в частном секторе, чтобы попытаться внедрить нашу методику, - говорит профессор. - Очень интересно иметь возможность провести этот проект с самого его начала до промышленного внедрения и, надеюсь, оказать существенное влияние не только на отрасль, но и на окружающую среду".
Канадские пожиратели метана
Эта проблема актуальна для всех нефтегазодобывающих регионов. Например, в канадской провинции Альберта 70% выбросов метана приходятся на нефтегазовый сектор. Если метан попадает в атмосферу без сжигания, он вызывает в 25 раз более сильный эффект глобального потепления, чем углекислый газ.
В Университете Альберты реализуется исследовательская инициатива "Будущие энергетические системы". Она занимается генной инженерией неопасных бактерий, которые потребляют метан и превращают его в полезные продукты.
Возглавляют этот проект два профессора: биолог Лиза Штайн и химик Доминик Соважо. В то время как лаборатория Штайн генетически модифицирует бактерии, команда Соважо проводит эксперименты, чтобы определить оптимальные условия для их работы, такие как размер камер, температура, питательные вещества. Вместе они работают с калифорнийским стартапом по биоэнергетике Mango Materials для пилотирования биореактора, который улавливает метан из сточных вод и использует бактерии для превращения его в биопластик.
Штайн и Соважо создают платформу из полдюжины бактерий, генетически сконструированных для работы в различных условиях. "Ни один тип бактерий не справится с любой задачей, - объясняет Соважо. - Мы создаем реестр различных бактерий с соответствующими реакторами, которые можно адаптировать к различным промышленным применениям".
Эти бактерии будут использовать метан для производства различных продуктов, в том числе таких, которые могут быть использованы в качестве биотоплива. "Создавая эти материалы из метана, мы уменьшаем необходимость извлечения ископаемого топлива из земли, - говорит Штайн. - Вместо того чтобы добывать новый углерод из Земли, мы перерабатываем тот, что уже есть здесь".
Этот проект важен еще и тем, что он стал мостом между микробиологами и химиками-технологами. В этом году его молодая участница Кэтрин Тайс получила сразу две степени PhD (доктора философии): одну на факультете химических технологий и материаловедения, другую на факультете биологических наук.
"Я знаю, что "междисциплинарный" сейчас является модным словом в исследованиях. Но для нас это не мода, а единственный способ получить конкурентоспособный продукт, - говорит Кэтрин. - Без способности инженера спроектировать биореактор, в котором наши бактерии создают эти продукты, мы никогда не сможем производить топливо или пластик в экономически выгодном масштабе. Но без способности микробиологов разгадывать биологические парадоксы микроорганизмов мы вообще не смогли бы получить бактерии, производящие продукты".
Поэтому Кэтрин уверена, что этот проект достигнет своих целей. И что скоро появятся значительные количества полезных продуктов, от биоразлагаемых пластиков до топлива для реактивных двигателей.
Очистители океанских глубин
Бактерии для уничтожения парниковых газов не обязательно создавать в лабораториях с помощью генной инженерии. Можно искать их в природной среде в экстремальных условиях. Например, ученые из Института морских наук Техасского университета в Остине обнаружили более 20 новых видов микробов. Многие из них используют углеводороды, такие как метан и бутан, в качестве источников энергии для выживания и роста. Это означает, что эти бактерии способны помочь нам снизить концентрации парниковых газов в атмосфере, а также могут пригодиться для очистки мирового океана от разливов нефти.
В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи зафиксировали большое разнообразие микробных сообществ, обитающих в чрезвычайно жарких глубоководных отложениях в бассейне Гуаймас в Калифорнийском заливе. Команда обнаружила новые виды микробов, которые генетически резко отличаются от тех, что были изучены раньше. "Это показывает, что глубокие океаны содержат обширное неизведанное биологическое разнообразие, и там микроскопические организмы способны разлагать нефть и другие вредные химические вещества, - подчеркнул руководитель исследования Бретт Бейкер. - Под океаном существуют огромные резервуары углеводородных газов, включая метан, пропан, бутан и другие, и эти микробы препятствуют выбросу парниковых газов в атмосферу".
Команда Бейкера исследует взаимодействие между микробными сообществами и питательными веществами, доступными для них в окружающей среде, отбирая образцы осадка и микробов в природе, а затем извлекая ДНК из образцов. Исследовательский анализ отложений на глубине 2000 м, где вулканическая активность повышает температуру примерно до 200°C, позволил восстановить 551 геном, 22 из которых представляют новые ветви древа жизни. "Это, вероятно, лишь верхушка айсберга с точки зрения разнообразия в бассейне Гуаймас", - говорит Бейкер. Исследование было поддержано министерством энергетики США, фондом Слоана и Национальным научным фондом США.
Последняя надежда
В июне журнал Nature Reviews Microbiology обнародовал "Предупреждение ученых человечеству: микроорганизмы и изменение климата". Под этим письмом подписались 33 ведущих микробиолога Австралии, Великобритании, Германии, Италии, Канады, Нидерландов, Норвегии, США, Швейцарии (в том числе и Лиза Штайн из Университета Альберты, занимающаяся генной инженерией метанотрофных бактерий).
Ученые обращают внимание человечества на то, что изменение климата и микроорганизмы влияют друг на друга. И что есть целый ряд биотехнологий, позволяющих с помощью микробов смягчать изменение климата. Микробные биотехнологии, говорится в письме, могут обеспечить решения для уменьшения вредных выбросов и для улавливания парниковых газов. Микроорганизмы также предоставляют важные возможности для решения техногенных проблем путем улучшения сельскохозяйственных результатов, производства биотоплива и устранения загрязнения.
Обращение микробиологов к человечеству заканчивается таким резюме: "Микроорганизмы не только вносят вклад в скорость изменения климата, но также могут вносить огромный вклад в его эффективное смягчение и наши инструменты адаптации". Что же, осталось дождаться, когда человечество это осознает.
Успеют ли бактерии спасти Землю - это зависит от того, захотят ли правительства ведущих стран мира выделить средства на развитие и внедрение всех этих технологий и предоставить соответствующие льготы частным компаниям. Без этого бизнес на бактериях вряд ли станет привлекательным. В качестве аналогии можно привести альтернативную энергетику (солнечные и ветряные электростанции), для запуска которой потребовалась специальная налоговая политика. Такая же ситуация с электромобилями. Если государства создадут налоговые стимулы, то наверняка найдутся компании, которые смогут превратить биоутилизацию парниковых газов в крупный высокорентабельный бизнес.
Англичане обзаведутся живыми солнечными батареями
Имперский колледж Лондона объявил о том, что он совместно со стартапом Arborea создает в своем кампусе первую систему очищения воздуха BioSolar Leaf. Эта технология не имеет аналогов в мире. Arborea разрабатывает огромные структуры, похожие на солнечные панели, в которых размещаются крошечные растения, такие как микроводоросли, диатомовые водоросли и фитопланктон. Эти панели можно устанавливать внутри и снаружи зданий и других объектов или на открытой местности. Растения в процессе фотосинтеза поглощают свет и за счет его энергии вбирают из воздуха углекислый газ, перерабатывая его в кислород, а также производят органический материал, который может быть использован для получения питательных и экологически чистых пищевых добавок.
Этот проект поддержан властями лондонского района Хаммерсмит и Фулем, где расположен Имперский колледж Лондона. Глава района Стивен Коуэн заявил: "Технология BioSolar Leaf призвана революционизировать качество воздуха в Лондоне и во всем мире. Наша администрация планирует первой разместить их в нашем районе, так как мы полны решимости, чтобы Хаммерсмит и Фулем лидировали в очистке грязного лондонского воздуха".
Сайт SingularityHub отмечает, что идея выращивания водорослей для производства полезных материалов не нова, но смысл деятельности Arborea в том, чтобы сделать ее доступной и гибкой. Традиционный подход заключается в выращивании водорослей в открытых прудах, которые менее эффективны и открыты для загрязнения, или в фотобиореакторах, которые обычно требуют подачи углекислого газа, вместо того чтобы получать его из воздуха, и могут быть дорогими в эксплуатации.
Подробностей о том, как технология BioSolar Leaf решает проблемы с поставкой питательных веществ и сбором урожая, пока мало. Тем не менее возможность установки этих панелей непосредственно на зданиях может стать многообещающим способом поглощения огромного количества углекислого газа, производимого в городах транспортом и промышленностью.
