Microrganismi al servizio di Microsoft per ridurre le emissioni entro il 2050

Il 16 Gennaio 2020, Microsoft ha affermato di voler ridurre notevolmente le emissioni di anidride carbonica (CO₂) entro il 2030. E non solo. L’azienda creata da Bill Gates e Paul Allen nel 1975 punta alla rimozione dall’atmosfera dell’equivalente della quantità di CO₂ emessa a partire dalla sua fondazione, entro il 2050.

Un concetto chiave, legato a questa notizia, è quello di emissioni negative. In altre parole, miliardi di tonnellate di CO₂ dovranno essere rimossi dall’atmosfera ogni anno. E’ come se dicessimo che non solo non possiamo più portare fuori la spazzatura, ma che dobbiamo anche riprendere gradualmente tutto ciò che abbiamo buttato nella spazzatura in passato.

Uno sguardo al ciclo biologico del carbonio

Sorprendentemente, l’immensa complessità della vita sulla Terra è composta da soli quattro elementi: carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O) e azoto (N). Così, quando un organismo muore, il corpo viene scomposto di nuovo in questi elementi: C, H, O e N. Durante questo processo, il carbonio viene trasformato in CO₂. Questo non accade solo con il corpo umano: succede con il fitoplancton che popola i nostri mari e con gli alberi. In autunno, quando gli alberi perdono le foglie, la concentrazione globale di CO₂ aumenta e in primavera, quando le nuove foglie ricrescono, la concentrazione globale di CO₂ diminuisce nuovamente. Questo si chiama ciclo biologico del carbonio. Se la produzione ed il consumo sono bilanciate, la concentrazione di CO₂ nell’atmosfera dovrebbe essere costante. Tuttavia, grandi cambiamenti ambientali e attività umane possono alterare l’equilibrio.

Nonostante la CO₂sembri solo nociva, bisogna ricordare che essa è essenziale per regolare la temperatura del nostro pianeta. Senza questo gas, la temperatura media della Terra scenderebbe a -18 °C, e sarebbe quindi troppo fredda per gli esseri viventi. Ciò che sta succedendo è l’opposto. Attraverso la combustione di combustibili fossili, rilasciamo rapidamente grandi quantità di CO₂ nell’atmosfera che non può essere recuperata. Questo squilibrio, al contrario, potrebbe far diventare la temperatura della Terra troppo alta.

Diverse strategie per catturare il carbonio

Le strategie per catturare il carbonio a cui si è pensato sono molteplici, come d’altronde le domande che ci si pone. Quali tecniche sequestrerebbero più anidride carbonica entro il 2050? Quale sarebbe il loro costo? Cerchiamo di mettere in prospettiva i diversi approcci:

Riforestazione e rimboschimento

Gli alberi vengono piantati per sostituire le foreste nette e per espandere quelle esistenti. Questi assorbono CO₂ dall’aria e la convertono in nuovo legno, comprese le radici. Anche i mercati del legname e le pratiche di gestione delle foreste dovranno essere riformati.

Cattura e stoccaggio del carbonio da parte delle bioenergie

Bruciamo piante che assorbono CO₂ per produrre energia, o le trasformiamo in biocarburanti. La CO₂ viene estratta e viene conservata sotto terra. I prodotti generano reddito, ma se si adotta questa strategia su larga scala, si rischia di invadere la terra necessaria per le colture alimentari.

Biochar

Le colture, il letame o i rifiuti organici vengono riscaldati in assenza di ossigeno. Questo produce biocarburanti e biochar, un residuo ricco di carbonio. Il biochar è diffuso nei campi agricoli per migliorare il suolo, e può aiutare a fissare più carbonio. Produrre biochar su larga scala usando poca energia è probabilmente difficile.

Alterazione forzata

Si riduce in polvere la roccia. Diffusa nei campi, questa polvere cattura CO₂ dall’aria e fertilizza il terreno. Quando raggiunge l’oceano, reagisce con l’acqua di mare, trasformando la CO₂ in carbonati che cadono sul fondo. La chiave del successo è polverizzare e trasportare la roccia in modo economico.

Cattura diretta dall’aria

Delle macchine aspirano l’aria ambientale e separano chimicamente la CO₂, che iniettano sotto terra per lo stoccaggio permanente. I costi previsti sono elevati, ma possono diminuire con lo sviluppo della tecnologia.

Fertilizzazione degli oceani

I rimasugli del ferro vengono diffusi negli oceani per favorire la crescita del fitoplancton, che assorbe CO₂ . Alla morte di questi organismi, il carbonio si deposita sul fondo dell’oceano. La durata dei guadagni è breve e si rischia di disturbare l’ecosistema.

Sequestro del carbonio nel suolo

Le graminacee o le piante assorbono CO₂ convertendola nelle radici e fissando il carbonio nel terreno. Le tecniche di gestione del suolo potrebbero aumentare il sequestro e il rendimento dei raccolti. Il potenziale a lungo termine può essere limitato, poiché la quantità di carbonio che i suoli possono trattenere è limitata.

Tra le proposte avanzate da Microsoft, si parla di riforestazione e rimboschimento con relativo sequestro del carbonio nel suolo. Tuttavia, come abbiamo visto, è difficile che questo piano sia sufficiente per azzerare il bilancio di emissioni nette di una grande azienda e ancora di più per renderlo negativo. Per questo, il piano di Microsoft prevede lo sviluppo di tecnologie che consentano di prelevare la CO₂ e trattenerla, oppure di sistemi per intrappolarla nel suolo, per esempio arricchendolo con colture di microbi che consumano CO₂.

Come le colture di microbi possono consumare la CO₂?

Sebbene minuscoli presi separatamente, i microbi formano impressionanti colonie, in grado di modellare paesaggi, regolare gli ecosistemi e modificare il clima del pianeta.

I batteri influenzano il sequestro del carbonio nei basalti

Abbiamo visto come una delle strategie previste sia quella di intrappolare la CO₂ sotto terra. Il progetto di ricerca internazionale Carbifix, per esempio, studia il suo sequestro nelle falde acquifere che irrigano i basalti islandesi (rocce vulcaniche). I ricercatori hanno dimostrato che i batteri che popolano le falde acquifere promuovono la fissazione del carbonio.

Un test portato avanti nel 2016, prevedeva l’iniezione di 175 tonnellate di anidride carbonica, disciolta in acqua, nei basalti di un flusso di lava. I risultati sono molto incoraggianti: suggeriscono che in due anni il carbonio iniettato dovrebbe essere quasi completamente mineralizzato. Il magnesio, il ferro, il calcio e altri minerali che formano il basalto reagiscono con l’anidride carbonica disciolta nell’acqua per formare carbonati di ferro (siderite), calcio (calcite), magnesio (magnesite), ecc..

Sembra, inoltre, che la mineralizzazione sia più efficace quando il pH è abbastanza alto da consentire la formazione di carbonati, ma non troppo per evitare la formazione di zeoliti (alluminosilicati) e smectiti (argille), che competono con i carbonati. I valori di pH ottimali sarebbero quindi compresi tra 5,2 e 6,5 nei basalti dove prevale una temperatura relativamente bassa (tra 20 e 50°C).
Inoltre, a queste temperature, anche le falde acquifere di basalto contengono vita. Gli ioni ferro, magnesio e calcio e i composti aromatici contenuti nella matrice di silice della roccia, sono fonti di energia per i batteri. I ricercatori hanno messo in evidenza lo sviluppo di batteri ferro-ossidanti che usano la CO₂ come fonte di carbonio e batteri che la usano per degradare composti aromatici complessi.

Quest’attività microbica influenza il destino della CO₂ iniettata in diversi modi. Innanzitutto, una parte del carbonio viene convertita in biomassa anziché essere carbonata. Quindi, i batteri modificano lo stato della falda ossidante ossidando il ferro, che influenza la formazione di carbonati e la dissoluzione dei silicati (componente principale dei basalti). In definitiva, in ambienti in cui gli esseri viventi possono prosperare – ovunque la temperatura sia inferiore a 120°C – l’efficienza del deposito minerale di CO₂ potrebbe essere ridotta a lungo termine. I ricercatori si sono già impegnati a quantificare questo effetto.

Batteri geneticamente modificati potrebbero aiutare ad affrontare i cambiamenti climatici

Come potevano mancare dei batteri geneticamente modificati al portafoglio di soluzioni possibili?
Infatti, varietà specifiche di Escherichia coli sono spesso utilizzate per produrre biocarburanti ed altri prodotti chimici, ma normalmente essi utilizzano zuccheri come il glucosio, come fonte di energia. Ron Milo del Weizmann Institute of Science in Israele ed i suoi colleghi sono riusciti a far consumare CO₂ a E. coli.

I ricercatori sono riusciti a modificare geneticamente E. coli aggiungendo dei geni che codificano un enzima in grado di convertire la CO₂ atmosferica in biomassa, eliminando in parallelo i geni necessari per il metabolismo dello zucchero. Hanno quindi lasciato i batteri per diversi mesi in laboratorio. Dopo 200 giorni, hanno scoperto che i microbi si erano evoluti con successo per crescere senza bisogno di utilizzare zuccheri come fonte energetica.

Milo afferma di non aspettarsi di essere in grado di apportare tali “drastici cambiamenti” al modo naturale di crescita di E. coli.
Attualmente, i batteri emettono ancora più CO₂ di quanto consumino nell’ambito del processo di crescita, ma i ricercatori pensano che potrebbero essere in grado di ridurlo in futuro.

Poiché E. coli è facilmente manipolabile e già ampiamente sfruttato per la biotecnologia, le possibilità di utilizzarlo sono “infinite”, afferma Frank Sargent dell’Università di Newcastle, Regno Unito.
Ad esempio, i batteri potrebbero utilizzare la CO₂ generata dall’industria siderurgica o del cemento per produrre insulina. “Questo tipo di evoluzione diretta è già un tipo di scienza premiata con il premio Nobel e questo è un ottimo esempio del perché“, afferma Sargent.

Non solo CO₂

Tuttavia, bisogna ricordare che la CO₂ non è l’unico gas a effetto serra che contribuisce al riscaldamento globale. Anche se la CO₂ contribuisce a intrappolare il calore nell’atmosfera per l’82%, il restante 10%, 6% e 3% sono rappresentati da metano (CH₄), ossido di azoto (N₂O) e gas fluorurati. Inoltre, non bisogna trascurare che sebbene il metano, per esempio, rappresenti solo lo 0,00018% dell’atmosfera, rappresenta il 20% del suo potenziale di riscaldamento. In altre parole, il metano è un gas serra molto più potente dell’anidride carbonica, così come l’ossido di azoto e i gas fluorurati.

Se l’unione fa la forza

Per questo motivo tanti studi negli ultimi anni, stanno cercando di capire come i batteri cooperano tra di loro. E se la risposta fosse nelle co-colture, invece che nella coltura di una singola specie?
Gli scienziati sanno da tempo che questi microrganismi svolgono un ruolo nella distribuzione degli elementi sopra menzionati. Ma l’approccio dei ricercatori allo studio del mondo microbico, ha limitato la loro comprensione di questi meccanismi globali. Tramite la metagenomica, si è capito che si è riusciti a isolare solo una piccola parte dei microbi osservati in natura, suggerendo che le specie che compongono le complesse comunità batteriche erano strettamente collegate.

L’ossidazione anaerobica del metano

Un esempio di queste interazioni riguarda l’ossidazione anaerobica del metano, vale a dire in assenza di ossigeno. Questo processo sarebbe impossibile senza l’abbinamento tra organismi metanotrofici anaerobici (che consumano metano) e batteri sulfatoreduttivi. Il metano è una molecola ad alta energia, ma molto stabile, difficile da scindere. Gli organismi metanotrofi anaerobi possono svolgere questo compito, ma in cambio producono una sovrabbondanza di elettroni, il cui accumulo dovrebbe normalmente interrompere il loro metabolismo.

Tuttavia, lo spreco di un microbo a volte è un tesoro per gli altri: i batteri solfato-riduttivi usano l’eccesso di elettroni per trasformare i solfati in solfuri (che danno al sedimento il suo odore putrido) e sfruttano l’energia prodotta durante la reazione. È una simbiosi classica: gli organismi metanotrofi anaerobi beneficiano di un rapido servizio di raccolta dei rifiuti e i batteri solfato-riduttivi traggono vantaggio dalla connessione alla rete elettrica.

Dalla teoria alla pratica

In un progetto sostenuto dall’Imperial College di Londra e dal Royal College of Art, un team di quattro studenti ha implementato un sistema che potrebbe agire per neutralizzare gli inquinanti nocivi presenti nell’aria.
Il progetto, chiamato Cellul-air, è un sistema di filtrazione dell’aria, modulare e personalizzabile alimentato da microbi. Utilizzando il principio di biorisanamento, il sistema inspira l’aria urbana ed espira aria pulita e purificata. A seconda dell’inquinante, è possibile selezionare le diverse specie microbiche, consentendo al cluster di Cellul-air di essere personalizzabile a seconda dell’ambiente in cui dev’essere installato.
Sebbene il test dei ceppi batterici sia ancora nelle sue fasi iniziali, gli studi hanno mostrato risultati positivi. Ci sarà solo bisogno di tempo, quindi, per vedere questi sistemi installati in luoghi come uffici o gallerie d’arte.