Розлучення на гроші чи панацея? Як кишковою паличкою хочуть врятувати Землю
Земля теплішає швидше, ніж очікувалося. Парникові гази, що викидаються в атмосферу в основному за рахунок спалювання викопного палива, зігрівають поверхню Землі інтенсивніше, ніж вважалося раніше. Якщо викиди вуглекислого газу не зменшаться, то до 2100 р. середні температури можуть піднятися на 7°C вище доіндустріального рівня. Це на два градуси більше, ніж прогнозується в 5-му оціночному звіті Міжурядової групи експертів зі зміни клімату (МГЕЗК) за 2014 р.
Про це повідомили вчені у вересні, презентуючи нові кліматичні моделі, які повинні замінити ті, що використовуються в поточних прогнозах ООН. Нове покоління з більш ніж 30 кліматичних моделей, відомих під загальною назвою CMIP6, стане основою наступного основного доповіді МГЕЗК в 2021 р.
CMIP6 розшифровується як 6-я фаза Проекту взаємного порівняння парних моделей. З кожною новою фазою вчені покращують алгоритми моделювання клімату і вводять в базу даних результати вимірювань з різних точок земної кулі. Проект використовує потужності суперкомп'ютерів для проведення точних розрахунків, а моделювання покладається на уточняющиеся з кожним роком уявлення вчених про залежність погоди від різних факторів.
Основний висновок нових моделей полягає в тому, що підвищений рівень вуглекислого газу в атмосфері буде нагрівати поверхню Землі легше і простіше, ніж передбачалося в попередніх розрахунках. Це означає велику ймовірність досягнення більш високих рівнів глобального потепління навіть після значних скорочень викидів.
Це погана новина для боротьби з глобальним потеплінням, яка продовжує стикатися з сильними політичними перешкодами та інституційної інерцією, незважаючи на швидке поширення громадської обізнаності і стурбованості. Більш висока потепління дасть менше часу на адаптацію і збільшить ймовірність проходження кліматом точок перелому, таких як відтавання вічної мерзлоти, що ще більше прискорить потепління.
Як повідомляє AFP, посилаючись на проект спеціальної доповіді МГЕЗК про океанах і заморожених зонах Землі, до 2100 р. може розтанути від третини до 99% верхнього шару вічної мерзлоти. Це станеться, якщо в світі не зменшаться обсяги щорічних викидів парникових газів. Танення вічної мерзлоти спричинить за собою ще більший нагрівання атмосфери за рахунок вивільнення з грунту парникових газів і зникнення снігу, який служить своєрідним дзеркалом, що відображає сонячні промені.
Хоча зміна клімату стає все більш очевидною проблемою, але все менше надій на те, що з нею зможуть впоратися уряди різних країн світу. Адже вони навіть не здатні забезпечити досягнення державами цілей, поставлених у Паризькому угоді. Тому доводиться сподіватися не на державні заходи для скорочення викидів парникових газів, а на диво. Ну або на те, що наука знайде інноваційні рішення і врятує Землю.
Чарівна паличка з Флориди
Рішення, здатне хоча б частково полегшити проблему парникових газів, запропонували американські дослідники з Університету Південної Флориди. Нова біологічна методика, опублікована в журналі Nature Chemical Biology, розроблена професором Рамоном Гонсалесом і його дослідницькою групою.
Вчені модифікували кишкову паличку (Escherichia coli) - відомий вже більше 130 років вид бактерій, широко поширених в нижній частині кишечнику теплокровних тварин. Модифіковані мікроорганізми виявилися дуже ефективними у перетворенні одновуглецевих парникових газів, таких як вуглекислий газ, метан, формальдегід, у більш складні хімічні сполуки, які можна використовувати для виробництва безлічі споживчих і промислових товарів.
Це дослідження представляє собою значний прорив у біологічної конверсії вуглецю. Воно може трансформувати поточні нафтохімічні процеси, а також зменшити кількість парникових газів, що викидаються в атмосферу під час видобутку сирої нафти.
Коли сира нафта викачується з-під землі, разом з нею надходить багато попутного природного газу - метану. В даний час переважна більшість нафтовидобувних підприємств позбавляються від метану, просто спалюючи його.
Професор Гонсалес підкреслює, що цей процес не тільки марнотратний, але ще й неефективний і вкрай шкідливий для екології. Він призводить до викиду в атмосферу незгорілого метану, а також вуглекислого газу, що утворюється в процесі спалювання метану.
Гонсалес вважає, що він і його команда розробили метод використання метану, який є економічно доцільним і привабливим для виробників нафти. Впроваджуючи цю технологію, нафтодобувачі могли б не лише зменшити свій шкідливий вплив на навколишнє середовище, але і виробляти цінні хімічні сполуки, такі як етиленгліколь і гліколева кислота, які використовуються у виробництві пластмас, косметики, полімерів, миючих засобів і т. п. Традиційно будівельні блоки для цих продуктів виготовляються з використанням нафти. Таким чином, застосування методу біоконверсії допоможе не тільки знизити викиди парникових газів, але і послабити загальну залежність від нафти.
Ця подвійна вигода, сподівається Гонсалес, спонукає виробників нафти до вивчення можливості освоєння нової технології. "В даний час ми працюємо із партнерами у приватному секторі, щоб спробувати впровадити методику, - говорить професор. - Дуже цікаво мати можливість провести цей проект з самого його початку до промислового впровадження і, сподіваюся, чинити істотний вплив не лише на галузь, а й на навколишнє середовище".
Канадські пожирачі метану
Ця проблема актуальна для всіх нафтогазовидобувних регіонів. Наприклад, у канадській провінції Альберта 70% викидів метану припадає на нафтогазовий сектор. Якщо метан потрапляє в атмосферу без спалювання, він викликає в 25 разів більш сильний ефект глобального потепління, ніж вуглекислий газ.
В Університеті Альберти реалізується дослідницька ініціатива "Майбутні енергетичні системи". Вона займається генною інженерією безпечних бактерій, які споживають метан і перетворюють його в корисні продукти.
Очолюють цей проект два професори: біолог Ліза Штайн і хімік Домінік Соважо. У той час як лабораторія Штайн генетично модифікує бактерії, команда Соважо проводить експерименти, щоб визначити оптимальні умови для їх роботи, такі як розмір камер, температура, поживні речовини. Разом вони працюють з каліфорнійським стартапом по біоенергетиці Mango Materials для пілотування біореактора, який вловлює метан із стічних вод і використовує бактерії для перетворення його в біопластик.
Штайн і Соважо створюють платформу з півдюжини бактерій, генетично сконструйованих для роботи в різних умовах. "Жоден тип бактерій не впорається з будь-яким завданням, - пояснює Соважо. - Ми створюємо реєстру різних бактерій з відповідними реакторами, які можна адаптувати до різних промислових застосувань".
Ці бактерії будуть використовувати метан для виробництва різних продуктів, у тому числі таких, які можуть бути використані в якості біопалива. "Створюючи ці матеріали з метану, ми зменшуємо необхідність вилучення викопного палива з землі, - каже Юнак. - Замість того щоб здобувати новий вуглець з Землі, ми переробляємо той, що вже є тут".
Цей проект важливий ще й тим, що він став мостом між мікробіологами і хіміками-технологами. У цьому році його молода учасниця Кетрін Тайс отримала відразу дві ступеня PhD (доктора філософії): одну на факультеті хімічних технологій і матеріалознавства, іншу на факультеті біологічних наук.
"Я знаю, що "міждисциплінарний" зараз є модним словом в дослідженнях. Але для нас це не мода, а єдиний спосіб отримати конкурентоспроможний продукт, - говорить Кетрін. - Без здібності інженера спроектувати біореактор, в якому наші бактерії створюють ці продукти, ми ніколи не зможемо виробляти паливо або пластик в економічно вигідному масштабі. Але без здатності мікробіологів розгадувати біологічні парадокси мікроорганізмів ми взагалі не змогли б отримати бактерії, що виробляють продукти".
Тому Кетрін впевнена, що цей проект досягне своїх цілей. І що скоро з'являться значні кількості корисних продуктів, від біорозкладаних пластиків до палива для реактивних двигунів.
Очисники океанських глибин
Бактерії для знищення парникових газів не обов'язково створювати в лабораторіях за допомогою генної інженерії. Можна шукати їх у природному середовищі в екстремальних умовах. Наприклад, вчені з Інституту морських наук Техаського університету в Остіні виявили більше 20 нових видів мікробів. Багато з них використовують вуглеводні, такі як метан і бутан, в якості джерел енергії для виживання і зростання. Це означає, що ці бактерії здатні допомогти нам знизити концентрації парникових газів в атмосфері, а також можуть знадобитися для очищення світового океану від розливів нафти.
У статті, опублікованій в Nature Communications, дослідники зафіксували велику різноманітність мікробних спільнот, що мешкають в надзвичайно спекотних глибоководних відкладеннях в басейні Guaymas в Каліфорнійській затоці. Команда виявила нові види мікробів, які генетично різко відрізняються від тих, що були вивчені раніше. "Це показує, що глибокі океани містять велике незвідане біологічне різноманіття, і там мікроскопічні організми здатні розкладати нафту та інші шкідливі хімічні речовини, - підкреслив керівник дослідження Бретт Бейкер. - Під океаном існують величезні резервуари вуглеводневих газів, включаючи метан, пропан, бутан та інші, і ці мікроби перешкоджають викиду парникових газів в атмосферу".
Команда Бейкера досліджує взаємодію між мікробними угрупованнями й поживними речовинами, доступними для них у навколишньому середовищі, відбираючи зразки осаду і мікробів у природі, а потім витягуючи ДНК із зразків. Дослідницький аналіз відкладень на глибині 2000 м, де вулканічна активність підвищує температуру приблизно до 200°C, дозволив відновити 551 геном, 22 з яких представляють нові гілки древа життя. "Це, ймовірно, лише верхівка айсберга з точки зору різноманітності в басейні Guaymas", - говорить Бейкер. Дослідження було підтримано міністерством енергетики США, фондом Слоана і Національним науковим фондом США.
Остання надія
У червні журнал Nature Reviews Microbiology оприлюднив "Попередження вчених людству: мікроорганізми і зміна клімату". Під цим листом підписалися 33 провідних мікробіолога Австралії, Великобританії, Німеччини, Італії, Канади, Нідерландів, Норвегії, США, Швейцарії (у тому числі і Ліза Штайн з Університету Альберти, займається генною інженерією метанотрофных бактерій).
Вчені звертають увагу людства на те, що зміна клімату і мікроорганізми, які впливають один на одного. І що є цілий ряд технологій, що дозволяють за допомогою мікробів пом'якшувати зміна клімату. Мікробні біотехнології, йдеться в листі, можуть забезпечити рішення для зменшення шкідливих викидів і для уловлювання парникових газів. Мікроорганізми також надають важливі можливості для вирішення техногенних проблем шляхом поліпшення сільськогосподарських результатів, виробництва біопалива та усунення забруднення.
Звернення мікробіологів до людства закінчується таким резюме: "Мікроорганізми не тільки вносять внесок у швидкість зміни клімату, але також можуть вносити значний внесок у його ефективне пом'якшення і наші інструменти адаптації". Що ж, залишилося дочекатися, коли людство це усвідомлює.
Чи встигнуть бактерії врятувати Землю - це залежить від того, чи захочуть уряди провідних країн світу виділити кошти на розвиток і впровадження всіх цих технологій і надати відповідні пільги приватним компаніям. Без цього бізнес на бактеріях навряд чи стане привабливим. В якості аналогії можна привести альтернативну енергетику (сонячні і вітряні електростанції), для запуску якої потрібна спеціальна податкова політика. Така ж ситуація з електромобілями. Якщо держави створять податкові стимули, то напевно знайдуться компанії, які зможуть перетворити биоутилизацию парникових газів у великий високорентабельний бізнес.
Англійці обзаведуться живими сонячними батареями
Імперський коледж Лондона оголосив про те, що він спільно зі стартапом Arborea створює у своєму кампусі першу систему очищення повітря BioSolar Leaf. Ця технологія не має аналогів у світі. Arborea розробляє величезні структури, схожі на сонячні панелі, в яких розміщуються крихітні рослини, такі як мікроводорості, діатомові водорості і фітопланктон. Ці панелі можна встановлювати всередині і зовні будівель та інших об'єктів або на відкритій місцевості. Рослини в процесі фотосинтезу поглинають світло і за рахунок його енергії вбирають з повітря вуглекислий газ, переробляючи його на кисень, а також виробляють органічний матеріал, який може бути використаний для отримання поживних та екологічно чистих харчових добавок.
Цей проект підтриманий владою лондонського району Хаммерсміт і Фулем, де розташований Імперський коледж Лондона. Глава району Стівен Коуен заявив: "Технологія BioSolar Leaf покликана революціонізувати якість повітря в Лондоні і в усьому світі. Наша адміністрація планує першої розмістити їх в нашому районі, так як ми сповнені рішучості, щоб Хаммерсміт і Фулем лідирували очищення брудного лондонського повітря".
Сайт SingularityHub зазначає, що ідея вирощування водоростей для виробництва корисних матеріалів не нова, але сенс діяльності Arborea в тому, щоб зробити її доступною і гнучкою. Традиційний підхід полягає у вирощуванні водоростей у відкритих ставках, які менш ефективні і відкриті для забруднення, або в фотобиореакторах, які зазвичай вимагають подачі вуглекислого газу, замість того щоб отримувати його з повітря, і можуть бути дорогими в експлуатації.
Подробиць про те, як технологія BioSolar Leaf вирішує проблеми з постачанням поживних речовин і збором урожаю, поки мало. Тим не менш можливість встановлення цих панелей безпосередньо на будівлях може стати багатообіцяючим способом поглинання величезної кількості вуглекислого газу, виробленого в містах транспортом і промисловістю.