Biologie kan een natuurlijk proces voor CO₂-verwijdering sterk versnellen en tegelijk waardevolle metalen opleveren, stelt Cornell-onderzoeker Esteban Gazel. Zijn onderzoeksteam beschrijft in een op 5 augustus in Scientific Reports verschenen studie hoe een genetisch gemodificeerde stam van de bacterie Gluconobacter oxydans magnesium- en ijzerrijke mineralen sneller afbreekt. Bij laboratoriumproeven kwam niet alleen magnesium vrij, maar ook nikkel en kobalt, metalen die worden gebruikt voor batterijen van elektrische voertuigen. Een deel van het magnesium werd bovendien omgezet in magnesiumoxalaat, dat koolstof kan vastleggen.
- De bacterie won binnen vijftien dagen tot 75 procent van het magnesium uit onderzochte olivijnmonsters.
- Rechtstreeks contact met het mineraal werkte beter dan uitsluitend de zure stoffen die de bacterie produceert.
- Naast magnesium kwamen bij het proces ook nikkel en kobalt vrij.
- De experimenten vonden plaats in laboratoriumkolven; opschaling vereist verder onderzoek.
„Dit werk laat zien dat biologie een van de natuurlijke processen voor koolstofverwijdering op aarde sterk kan versnellen en tegelijk extra waarde kan creëren door kritieke mineralen terug te winnen”, aldus Gazel.
Volgens hem zou die combinatie de economische haalbaarheid van grootschalige CO₂-verwijdering kunnen verbeteren, vooral wanneer daarvoor ongebruikelijke bronnen van metalen worden benut. Gazel is hoogleraar bij het Department of Earth and Atmospheric Sciences van het Cornell Duffield College of Engineering.
De bacterie versnelt een bestaand natuurproces
Verwering van silicaatgesteente haalt van nature CO₂ uit de atmosfeer. Wanneer regen- en grondwater mineralen zoals olivijn langzaam oplossen, kan het vrijgekomen magnesium met koolstofdioxide reageren en koolstofhoudende mineralen vormen. Dat natuurlijke proces verloopt zonder menselijke tussenkomst, maar doorgaans langzaam.
„We proberen de bacteriën zo te ontwerpen dat ze iets versnellen wat al gebeurt, in plaats van iets te laten gebeuren wat van nature niet plaatsvindt”, zegt mede-auteur Buz Barstow, universitair hoofddocent biologische en milieutechniek. Zijn team leidde de ontwikkeling van de gebruikte bacteriestam, terwijl de groep van Gazel de geochemische processen onderzocht.
De techniek valt onder bio-uitloging: micro-organismen of door hen geproduceerde stoffen worden gebruikt om bestanddelen uit vast materiaal vrij te maken. De onderzoekers pasten G. oxydans zo aan dat de bacterie een zuurrijk uitloogmiddel produceerde. Vervolgens vergeleken ze de werking daarvan met synthetische organische zuren en met een celvrije oplossing van stoffen die door de bacteriën waren aangemaakt.
Rechtstreeks contact houdt de verwering langer gaande
De proeven wezen uit dat direct contact tussen de bacteriën en het mineraaloppervlak de oplossing sterker versnelde dan de zure bijproducten alleen. De onderzoekers vonden aanwijzingen dat de microben de oxidatie van ijzer in de mineralen bevorderden. Daardoor konden ze langer zuur blijven produceren en hield de verwering langer aan.
In olivijnmonsters maakte de gemodificeerde bacterie in vijftien dagen tot 75 procent van het aanwezige magnesium vrij, naast nikkel en kobalt.
Opvallend was ook de vorming van magnesiumoxalaat bij kamertemperatuur en een lage pH. Volgens de studie kan ieder magnesiumatoom in dat mineraal twee koolstofatomen binden. De theoretische opslagcapaciteit per magnesiumatoom is daarmee tweemaal die van magnesiumcarbonaatmineralen zoals magnesiet, waarop onderzoek naar koolstofmineralisatie zich vaak richt.
Hoofdauteur Jacob D. Klug noemt de ontdekking „zeer spannend”. Hij verwachtte vooral magnesiet als bekende natuurlijke route, maar zag bij het analyseren van de gegevens dat een ander koolstofhoudend mineraal was ontstaan.
Mijnbouwafval geldt als mogelijke eerste toepassing
De onderzoekers zien vooral mogelijkheden bij ultramafisch mijnbouwafval. Dat restmateriaal is al tot fijne deeltjes vermalen, waardoor bacteriën gemakkelijker toegang kunnen krijgen tot de mineraaloppervlakken. In theorie kan één proces dan resterende kritieke metalen vrijmaken en grondstoffen leveren voor het mineraliseren van CO₂.
Dat betekent dat de methode mogelijk twee economische functies kan combineren: koolstof vastleggen en bruikbare metalen winnen. Voor de praktijk zou dat kunnen betekenen dat de kosten van CO₂-verwijdering deels tegenover de waarde van teruggewonnen materialen komen te staan. De studie toont echter nog niet aan dat dit buiten het laboratorium technisch of financieel haalbaar is.
Voordat opschaling mogelijk is, willen de onderzoekers meer magnesium in magnesiumoxalaat omzetten en goedkopere voedingsbronnen voor de bacteriën vinden. Ook moet duidelijk worden hoe stabiel magnesiumoxalaat op lange termijn is en hoe de gemodificeerde microben precies met gesteenteoppervlakken interageren. Juist die stabiliteit is bepalend voor de vraag of de vastgelegde koolstof langdurig opgeslagen kan blijven.
Zou het combineren van CO₂-opslag en metaalwinning volgens u voldoende meerwaarde bieden om deze laboratoriumtechniek verder te ontwikkelen?
