科学家利用基因工程菌应对气候问题

2012-02-28 07:00 · wenmingw

由于人类向大气中释放二氧化碳使得地球温度上升,一些科学家相信,将CO2捕获并锁定与地下的岩石中可以降低灾难性气候变化的风险。现在,一个科研团队发现,细菌可以帮助进行这样的过程。他们甚至可以对细菌进行基因改良,从而更快地捕获CO2,并将其在地下保存数百万年。

导读:气候变暖问题、CO2排放问题不仅仅是科学问题,也是一个政治工具。但是科学家更关心的是如何去解决这些问题,生物学家们发现,一些细菌经过基因改良后在应对大气中CO2浓度升高问题上表现出令人惊喜的效果。

由于人类向大气中释放二氧化碳使得地球温度上升,一些科学家相信,将CO2捕获并锁定与地下的岩石中可以降低灾难性气候变化的风险。现在,一个科研团队发现,细菌可以帮助进行这样的过程。他们甚至可以对细菌进行基因改良,从而更快地捕获CO2,并将其在地下保存数百万年。

在有细菌存在时,碳酸钙成晶体形式(由),在无菌条件中为无定形态(左)

当CO2 被泵入至地下的多孔岩石中时,它可以与充满岩石小孔的含盐水中的金属离子结合并矿化为矿物碳酸盐,如碳酸钙(CaCO3)。该过程会花费数千年。为了研究是否可以使这个过程加速,劳伦斯伯克力国家实验室的生物化学专家Jenny Cappuccio和同事将各种不同的常见细菌置于实验室的氯化钙溶液中,并泵入CO2。他们发现碳酸钙在有细菌生长的环境中生成的速度要比在无菌溶液中生成的速度快。并且,当存在细菌时,碳酸钙具有不同的矿物结构,更易形成白色方解石,而不是无定形的黑色小块。细菌增强了方解石的形成,即便它们只是存在于附近而并不生长或繁殖。

受此启发,该研究团队猜测,细菌的表面可能以某种方式推动了CO2与钙离子的结合。为了检验该想法,他们决定对其中的一种细菌Caulobacter vibrioides进行改进,对其表面进行塑性以吸附钙离子,并观察效果。

Cappuccio和同事们将一小段编码含六谷氨酸环的DNA序列插入至Caulobacter vibrioides中。该环突出于细菌的表面蛋白,在整个细胞表面以六元模式重复。每个六元酸环含有六个负电荷。该团队认为,这种“负电荷环”与水中的带正电荷的钙离子完美结合,将钙离子吸附到细菌的表面并诱使生成CaCO3

结果证实这很有效。当研究人员将CO2泵入至这种基因改良生长的水箱时,固化生成的CaCO3要比没有基因改良细菌生长的水箱中多。更重要的是,所形成的钙盐大部分为晶体方解石形式,这种形式相比于无定形CaCO3更为稳定—且更易于消除CO2

并未参与该研究的蒙大拿州立大学的生物工程学家Robin Gerlach评论该工作“非常基础”。他对更为广泛的应用表示期待,包括在洪水区固定土壤、隔离放射性同位素以及通过跟踪碳酸盐矿化的变化在化石记录中发现早期生命。

不过Cappuccio也是第一个认为,该结果需要在更接近真是生活的条件性进行论证。她打算在更高气压、更高温度及更低pH条件下对她的改良细菌进行试验。她的团队最终的目的是希望能对难以培养的极端生物—在极热、高压环境中生长的细菌—进行改进,这些生物更像是在消除CO2的地下岩石上生长的微生物。

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