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科学家表示，岩石风化是地球大气二氧化碳（CO₂）水平与气候的重要调控过程。在地球演化历史中，大气CO₂水平升高的温暖时期岩石风化速率会加快。溶解的矿物质最终被冲刷进入海洋，从大气中吸收CO₂，使地球再次降温。整个风化循环的周期长达数十万年。
研究人员一直探索能否加速岩石风化循环，由此催生了多家致力于增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）技术研发的新兴企业。这类企业将粉碎的硅酸盐岩石撒入农田或水体中，试图从大气中去除过量CO₂。尽管该策略整体安全环保，但其速率仍然过慢，无法对全球碳平衡产生影响，也不具备工业化规模应用的经济可行性。
目前，哈佛大学怀斯研究所、哈佛医学院系统生物学系、斯坦福大学杜尔可持续发展学院的合作团队提出了该问题的潜在解决方案。他们的研究成果《改造细菌铁载体生成加速岩石风化以实现碳去除》发表于《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）。
该研究由哈佛医学院化学工程师、第一作者Neil Dalvie博士牵头，对广泛分布的海洋细菌麦克氏交替单胞菌（Alteromonas macleodii）进行基因改造，使其大幅上调铁载体（siderophores）的表达量——铁载体是一类可从硅酸盐矿物中提取铁元素的分子。在连续通入海水的定制化生物反应器中，该工程菌将硅酸盐矿物橄榄石的风化速率提升了2.6倍，进而提高了从空气中去除的CO₂总量。
（从左至右）Amogh Jalihal、Neil Dalvie与团队成员Mohammed Hijaz在岩石风化实验室开展研究，该实验室配备了多套岩石-海水生物反应器用于岩石风化相关研究。[来源：哈佛大学怀斯研究所]
怀斯研究所创始核心成员Pamela Silver博士与怀斯研究所副研究员Michael Springer博士是该合作研究团队的共同负责人，Pamela Silver表示：“我们的研究践行了仿生工程理念，探索了如何应用合成生物学强化天然气候调控过程，最终有望为地球带来积极影响。我们认为这种易推广、无风险的环境工程策略可在多个地区落地，产生实际的脱碳效果。”
Springer同时担任哈佛医学院Elliot T.与Onie H. Adams生物化学与系统生物学讲席教授，他与Silver共同在哈佛医学院创立了合成生物学中心（Synthetic Biology Hive）。
利用合成生物学加速地质过程
天然岩石风化过程中，橄榄石等硅酸盐矿物溶解后主要释放镁（Mg）、铁（Fe）和硅酸根（SiO₄），将大气中的CO₂以碳酸氢根（HCO₃⁻）的形式固定在水体中。需要注意的是，释放出的铁暴露在大气中时不溶于水，会以铁锈的形式覆盖在矿物表面，减慢整个风化过程。细菌可通过产生铁载体，捕获、溶解并吸收氧化态（铁锈态）的铁以满足自身生长需求，这一过程恰好可有效去除矿物表面的铁锈，加快岩石风化速率。
研究人员利用定制化生物反应器解析了天然细菌产生铁载体的调控规律，发现即使是少量含铁矿物也会完全抑制铁载体的生成，这为工业化规模生产铁载体带来了巨大障碍。
作为Silver实验室博士后牵头开展该项目的Dalvie博士解释道：“一旦野生细菌获取了足够生长所需的铁，就会完全停止合成铁载体。为了实现规模化的增强风化效应，我们对麦克氏交替单胞菌进行改造，使其持续产生铁载体，从根本上解除了环境铁水平对铁载体合成的调控。”
团队仅用约一个月就完成了微生物改造，但难点在于证明改造后的菌株确实能够加快岩石风化并去除更多大气CO₂。为完成该验证工作，Dalvie与共同作者、怀斯研究所及哈佛医学院Springer课题组博士后Amogh Jalihal博士展开了合作。
Dalvie表示：“我们经过共同探讨，认为稳态下的检测结果最为可靠，需要让海水和细菌持续流过矿物表面。”
中试规模生产的应用价值
Springer课题组近期刚配备了一整间实验室的eVOLVER小型生物反应器。在小试研究获得阳性结果后，团队搭建了中试规模的生物反应器，内部装填数千克绿色橄榄石砂，并注入数加仑从波士顿港采集的原始海水。
Dalvie表示：“中试规模运行让我们得以开始解决放大过程中的各类问题：需要多久补充一次菌体？如何为菌体提供营养？最终我们测得反应器每天可实际吸收0.5g大气CO₂，这一结果极具应用前景。”
团队还开展了生命周期分析（Life Cycle Analysis, LCA），核算了整个系统在运行周期内所有捕获或排放的碳总量，涵盖生物、地质、化学各个环节。Dalvie与Jalihal和斯坦福大学杜尔可持续发展学院地球系统科学教授Steven Davis博士的博士生Abigail Fitzgibbon开展了相关合作。
Davis课题组已建立了相关模型，可量化工业或农业过程的碳排放，以及空气质量对人类健康的影响。
Dalvie指出：“与斯坦福团队的合作让我们能够精确计算系统的净碳平衡，明确了哪些工艺参数是该技术在工业化规模应用时成为高效环境技术的关键。”
Dalvie近期获得了伯勒斯·韦尔科姆科学交叉领域职业奖（Burroughs Wellcome Career Awards at the Scientific Interface, CASI）的基金资助，将用于进一步开展微生物铁载体合成与矿物加工相关研究。针对生物风化技术，仍需开展更多放大研究，筛选具备经济可行性的原料与硅酸盐矿物来源。团队还在探索能否在CO₂封存的同时，从硅酸盐矿物中提取有价金属。
正在研究演化如何塑造和限制生物与环境互作的Springer表示：“我们目前认为，实现环境效益最直接的方式是在类似污水处理厂的大型反应池中，利用充足的营养源培养我们的工程菌株，持续泵入未处理的海水，再将碱性海水排回海洋，固定在其中的碳完全无害，会被海洋缓冲体系稳定储存。”
专业注释
- 铁载体：微生物分泌的高亲和力铁螯合分子
- 生命周期分析：全流程核算系统碳平衡的评价方法
- 增强岩石风化：人工加速矿物风化实现碳封存的技术