Batteri Supereroi: La Rivoluzione Verde che Scioglie le Rocce per Salvare il Clima (e non solo!)

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa di veramente affascinante, una scoperta che potrebbe letteralmente cambiare il modo in cui affrontiamo una delle sfide più grandi del nostro tempo: il cambiamento climatico. E la cosa incredibile è che la soluzione potrebbe arrivare da organismi piccolissimi, quasi invisibili: i batteri!

Il Problema Gigante: Troppa CO2

Partiamo dal problema: abbiamo rilasciato nell’atmosfera una quantità spropositata di anidride carbonica (CO2), oltre un trilione di tonnellate. Questa CO2 intrappola il calore e sta facendo aumentare le temperature globali a un ritmo preoccupante. Gli scienziati dell’IPCC ci dicono che dobbiamo non solo smettere di emettere CO2, ma anche iniziare a rimuoverla attivamente dall’atmosfera, e parliamo di decine di miliardi di tonnellate all’anno! Una delle idee più promettenti per “bloccare” la CO2 in modo permanente è la mineralizzazione. In pratica, si tratta di far reagire la CO2 con certi tipi di rocce per trasformarla in minerali solidi e stabili, come la magnesite (MgCO3). Le rocce perfette per questo lavoro sono quelle ultramafiche, ricche di elementi come il magnesio (Mg). Pensate che ce ne sono così tante sulla Terra che potrebbero, in teoria, catturare tutta la CO2 in eccesso e anche di più!

La Natura è Lenta, Troppo Lenta

La natura fa già questo processo da sola: le rocce ultramafiche vengono lentamente “degradate” (weathering) dall’acqua piovana, rilasciano ioni come il magnesio, e questi poi reagiscono con la CO2 disciolta. Bello, vero? Peccato che questo processo naturale sia lentissimo: parliamo di decine o centinaia di migliaia di anni per ripulire l’atmosfera. Troppo tardi per noi! Si è pensato di accelerare le cose meccanicamente: frantumare le rocce, scaldarle, trattarle chimicamente… ma sono processi che richiedono un’energia pazzesca e costano un occhio della testa. E qui entriamo in gioco noi, o meglio, i nostri piccoli aiutanti.

Ecco a Voi: Gluconobacter oxydans, il Batterio Sciogli-Rocce!

E se potessimo usare dei microbi per fare il lavoro sporco? L’idea non è nuova: nel settore minerario, il “biomining” usa già batteri come Acidithiobacillus ferrooxidans per estrarre rame e oro da minerali a bassa concentrazione. È una tecnologia consolidata! Noi ci siamo chiesti: potremmo usare un approccio simile per le rocce ultramafiche? Abbiamo puntato gli occhi su un batterio specifico: Gluconobacter oxydans. Questo tipetto ha un superpotere: quando gli dai dello zucchero (glucosio), produce un “cocktail” a base di acido gluconico, che noi chiamiamo biolisciviante. Questo biolisciviante è bravissimo a sciogliere i minerali. In studi precedenti, avevamo già visto che G. oxydans batteva altri microbi nel “digerire” la dunite (una roccia ultramafica ricca di olivina, perfetta per catturare CO2).

I Primi Risultati: Acqua vs. Batterio

Abbiamo messo alla prova il nostro G. oxydans. Abbiamo preso della dunite in polvere e l’abbiamo messa a contatto con il biolisciviante prodotto dal batterio. Come controllo, abbiamo usato semplice acqua deionizzata (per simulare l’acqua piovana) e anche una soluzione di acido gluconico puro, allo stesso pH del biolisciviante. I risultati? Dopo sole 24 ore, il biolisciviante di G. oxydans aveva estratto 20 volte più magnesio rispetto all’acqua! Mica male, eh? Abbiamo visto che estraeva bene anche altri metalli interessanti presenti nella dunite, come manganese (Mn), ferro (Fe), cobalto (Co) e nichel (Ni) – tutti metalli “critici” per le tecnologie sostenibili (batterie, turbine eoliche, ecc.). Quindi, potenzialmente, potremmo non solo catturare CO2, ma anche “biominare” questi metalli preziosi. Un due-in-uno niente male!

La Sorpresa della Densità

All’inizio, però, c’era una cosa che ci lasciava un po’ perplessi. A basse concentrazioni di roccia (1% di “densità di polpa”, cioè 10 grammi di roccia per litro di liquido), il biolisciviante del nostro batterio era solo leggermente migliore (circa il 6% in più per il Mg) rispetto all’acido gluconico puro. Sembrava quasi che il batterio facesse solo l’acido e basta. Ma poi abbiamo provato ad aumentare la quantità di roccia. E qui è arrivata la svolta! Aumentando la densità di polpa, l’efficacia del biolisciviante batterico schizzava alle stelle rispetto all’acido gluconico da solo. Con una densità del 60%, il biolisciviante di G. oxydans era ben 3.2 volte più efficace dell’acido gluconico puro nel liberare magnesio dopo 72 ore! Questo è importantissimo: suggerisce che nel biolisciviante ci sia qualcos’altro oltre all’acido, magari delle molecole speciali prodotte dal batterio (chelanti, molecole redox?) che danno una marcia in più quando c’è tanta roccia da attaccare. È come se il batterio non si limitasse a produrre l’acido, ma creasse un ambiente chimico più complesso e performante.

Un Carburante più Economico e Sostenibile?

Ok, bello tutto, ma produrre biolisciviante richiede glucosio, e il glucosio costa. Se dobbiamo usare questo metodo su scala planetaria, ci serviranno quantità enormi di “carburante” per i nostri batteri. Questo potrebbe diventare un problema economico e di sostenibilità (non possiamo usare tutto lo zucchero del mondo!). E se potessimo usare uno zucchero più economico e abbondante, magari derivato da scarti agricoli? Abbiamo provato a usare l’idrolizzato cellulosico, una specie di sciroppo zuccherino ottenuto trattando materiale vegetale come gli stocchi di mais. G. oxydans è noto per saper “mangiare” anche gli zuccheri presenti in questo idrolizzato. Abbiamo quindi creato un biolisciviante usando questo idrolizzato invece del glucosio puro. I risultati? L’efficacia nell’estrarre magnesio è scesa un po’ (circa il 28% in meno), ma non in modo drammatico. Considerando che l’idrolizzato cellulosico potrebbe costare molto, molto meno del glucosio puro ed essere prodotto da rifiuti, questa è una notizia fantastica! Rende l’intero processo potenzialmente molto più sostenibile ed economico. Certo, ci sono delle sfide: l’idrolizzato contiene anche sostanze che possono un po’ “infastidire” i batteri, ma pensiamo si possa lavorare anche su questo, magari selezionando o ingegnerizzando batteri più resistenti.

Ingegneria Genetica: Possiamo Fare di Meglio?

E se potessimo rendere G. oxydans ancora più bravo? Qui entra in gioco l’ingegneria genetica. Abbiamo testato un ceppo mutante di G. oxydans (chiamato ΔpstS, P112:mgdh), che era stato precedentemente modificato per produrre più acido. Ebbene, questo mutante ha mostrato un miglioramento medio del 12% nell’estrazione di magnesio e degli altri metalli rispetto al ceppo “normale” (wild-type), a parità di condizioni. Questo è solo un assaggio! Il genoma di G. oxydans non è ancora completamente mappato per queste funzioni. Abbiamo creato una collezione di migliaia di mutanti, ognuno con un gene diverso “spento”, e stiamo pianificando di testarli tutti per vedere quali geni sono cruciali per sciogliere le rocce ultramafiche. L’obiettivo è creare dei “super-batteri” ingegnerizzati apposta per questo compito.

Il Conto del Carbonio: Quanto Ci Costa Davvero?

Un aspetto fondamentale è l’efficienza “carbonica”. Quanto carbonio (sotto forma di zucchero per i batteri) dobbiamo “investire” per liberare un atomo di magnesio, che poi potrà catturare un atomo di carbonio dalla CO2? Abbiamo definito un rapporto, chiamato kseq (carbonio investito / carbonio sequestrato potenzialmente). All’inizio, con le prime prove (bassa densità di polpa, tempi brevi), questo rapporto era altissimo: 525! Significava che per ogni atomo di carbonio che potevamo sequestrare, dovevamo “spendere” 525 atomi di carbonio dallo zucchero. Un disastro economico e ambientale. Ma ottimizzando il processo – aumentando la densità di polpa, allungando i tempi di contatto (fino a 10-19 giorni), usando rocce più fini e il ceppo mutante – siamo riusciti a far crollare questo valore. In alcuni esperimenti, siamo arrivati a un kseq di quasi 1! Questo significa che, in teoria, potremmo arrivare a un punto in cui il carbonio che investiamo nello zucchero è quasi pari al carbonio che sequestriamo. Se riuscissimo a portare questo kseq ancora più in basso (ad esempio a 0.15-0.25), usando magari l’idrolizzato cellulosico che è più economico, il costo del solo “carburante” batterico per sequestrare una tonnellata di CO2 inizierebbe a diventare competitivo con gli obiettivi fissati (attorno ai $100/tonnellata), e potremmo farlo usando una quantità di biomassa più sostenibile su scala globale.

Le Sfide Future: Dalla Provetta al Pianeta

Ovviamente, la strada è ancora lunga. Una cosa è fare esperimenti in laboratorio, un’altra è applicare questa tecnologia su scala industriale per rimuovere miliardi di tonnellate di CO2. Ci sono diverse sfide:

• Processo a valle: Una volta sciolto il magnesio, dobbiamo farlo reagire con la CO2 per formare carbonati stabili. Il biolisciviante, essendo acido, non è l’ideale per questo. Bisognerà trovare modi efficienti (magari usando ammoniaca o altri processi, anche biologici) per aggiustare il pH e far precipitare i minerali.
• Scale-up: Come si comporteranno i batteri in bioreattori giganti? Avranno abbastanza ossigeno (G. oxydans è un aerobio obbligato)? Come ottimizzare la miscelazione della roccia e del liquido? La loro efficienza rimarrà alta?
• Passivazione: Sciogliendo la roccia, si possono formare strati superficiali (come silice amorfa) che “proteggono” il minerale sottostante e rallentano il processo. Bisognerà trovare modi per superare questo ostacolo.
• Approvvigionamento: Anche se usiamo idrolizzato cellulosico, produrne le quantità necessarie su scala globale richiederà sviluppi significativi nella filiera della biomassa.

Un’Alternativa Verde e Promettente

Nonostante le sfide, quello che abbiamo scoperto è davvero entusiasmante. La biolisciviazione con Gluconobacter oxydans si profila come un metodo potenzialmente più ecologico ed efficiente rispetto ad altre tecniche di weathering accelerato. Funziona a temperatura e pressione ambiente, eliminando i costi energetici enormi di altri processi che richiedono calore o pressione. Evita l’uso di acidi forti aggressivi, che possono causare problemi ambientali come il drenaggio acido minerario. E offre il doppio vantaggio di catturare CO2 e recuperare metalli preziosi per la transizione energetica. Siamo riusciti a ridurre l’investimento di carbonio da 525 a 1, un passo da gigante! C’è ancora tanto lavoro da fare per ottimizzare il processo e renderlo scalabile ed economicamente vantaggioso, ma crediamo fermamente che questi piccoli batteri abbiano un ruolo enorme da giocare nella lotta contro il cambiamento climatico. È una frontiera affascinante della biotecnologia al servizio del pianeta!

Fonte: Springer