Le termiti generalmente non suscitano molto amore. Ma sorprendentemente, questo insetto mangiatore di legno potrebbe essere la chiave per trasformare il carbone, una grossa fetta inquinante dell'approvvigionamento energetico globale, in energia più pulita per il mondo, secondo i ricercatori dell'Università del Delaware.

Nella rivista dell'American Chemical Society Energia e combustibili , Il professor Prasad Dhurjati e il suo team di ricerca descrivono in dettaglio come una comunità di microbi dell'intestino delle termiti converte il carbone in metano, l'ingrediente principale del gas naturale. Lo studio, che ha prodotto modelli al computer del processo biochimico passo dopo passo, è stata una collaborazione con ARCTECH, una società con sede a Centerville, Virginia, che ha lavorato con questi microbi negli ultimi 30 anni. ARCTECH ha fornito al team UD i dati sperimentali utilizzati per convalidare i modelli.

"All'inizio può sembrare strano - microbi dell'intestino delle termiti che mangiano carbone - ma pensa a cos'è il carbone. Fondamentalmente è legno che è stato cotto per 300 milioni di anni, " disse Dhurjati, che fa parte della facoltà del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare dell'UD.

Eoni fa, alberi e altre piante delle enormi foreste che un tempo ricoprivano la Terra morirono e caddero nelle paludi. Strati su strati di questa vegetazione sono stati sottoposti ad alta pressione e temperatura da forze geologiche, formare fili di carbone. L'antracite è il più duro, carbone ardente più pulito, seguito da bituminoso, carbone subbituminoso e lignite.

Ora, si consideri la termite (di cui ce ne sono circa 3, 000 specie diverse in tutto il mondo). Secondo la National Pest Management Association, le termiti causano più di $ 5 miliardi di danni alle proprietà ogni anno. Possono mangiare il legno e ricavarne energia, grazie a qualche migliaio di microbi che vivono nel loro intestino. Questa densa comunità di organismi microscopici lavora insieme per digerire la cellulosa e la lignina che conferiscono rigidità alle pareti cellulari delle piante.

Questi stessi microbi possono digerire il carbone, rilasciando metano e producendo materia umica, un benefico fertilizzante organico, come sottoprodotto. Ogni microbo contribuisce a una o più fasi di questo intricato processo di digestione, in cui ci sono centinaia di passaggi, e dove il prodotto di un microbo può servire da cibo per il successivo.

"Questi microbi fanno milioni di tagli chirurgici nel carbone, utilizzando enzimi derivati ​​da una vasta gamma di geni, "Dhurjati ha detto.

Diverse aziende hanno tentato di commercializzare su questa degradazione microbica del carbone, ma hanno fallito a causa della complessità implicata nel far lavorare insieme una comunità di microbi. Però, ARCTECH è riuscita a convincere i microbi a convertire il carbone in gas metano, nonché prodotti umici biologici utili per l'agricoltura, depurazione delle acque e riciclaggio dei rifiuti.

"I nostri modelli di computer ora consentono di progettare con successo, operare e controllare i processi su scala commerciale, " Egli ha detto.

I modelli informatici scompongono processi complessi

Durante l'ultimo decennio, Dhurjati e una dozzina di studenti di ricerca presso l'UD hanno scrupolosamente interrotto tutti i passaggi nella conversione del carbone in gas naturale da parte dei microbi delle termiti. Hanno sviluppato modelli informatici, noto tecnicamente come un "modello matematico cinetico concentrato" e un "modello di connettività di reazione, " descrivendo ogni reazione biochimica come la comunità microbica delle termiti trasforma il carbone in combustibile più pulito. Chimicamente parlando, i microbi:un mix di batteri, protisti e funghi:prima convertono il carbone in grandi idrocarburi poliaromatici, che vengono ulteriormente degradati in acidi grassi a catena media, successivamente in acidi organici, finalmente produrre metano.

Il modello cinetico semplifica e "raggruppa" le centinaia di passaggi in alcuni importanti intermedi. Questi intermedi biochimici vengono quindi incorporati in un modello matematico che può essere utilizzato per identificare dove si interrompe il processo e come farlo ripartire.

I microbi hanno bisogno di più cibo? La temperatura è ottimale? I modelli fungono da strumento quantitativo, fornendo informazioni critiche per affrontare le esigenze nutrizionali dei microbi e per risolvere i colli di bottiglia metabolici e i punti di strozzatura. I modelli possono anche essere utilizzati per simulare le condizioni delle miniere di carbone, un ambiente molto diverso dall'intestino delle termiti.

La tecnologia basata sui microbi è già stata implementata in grandi vasche chiamate biodigestori fuori terra, e Dhurjati sta ora cercando collaboratori per testare la tecnologia sotto terra, in una profonda miniera di carbone.

"Questa rivoluzionaria biotecnologia ha il potenziale per trasformare il 'carbone sporco' in 'carbone pulito, '", ha detto. "Sarebbe un grande vantaggio per l'ambiente e per l'economia".

Alla ricerca del "carbone pulito"

Il carbone rappresenta attualmente quasi il 30 percento dell'approvvigionamento energetico mondiale e circa il 40 percento della sua produzione di elettricità, secondo il Committee on Earth Resources delle National Academies of Sciences, Ingegneria e Medicina.

Mentre il carbone continua a essere vitale per l'approvvigionamento energetico globale, ha anche la reputazione di essere sporco, pericoloso per i lavoratori, e dannosi per la salute umana e per l'ambiente. La combustione del carbone rilascia inquinanti tossici nell'aria, come il mercurio, diossido di zolfo, ossidi di azoto e fuliggine, contribuendo a malattie respiratorie. Il carbone è anche noto per generare più emissioni di gas serra quando viene bruciato rispetto al petrolio o al gas naturale. Genera quasi il doppio di anidride carbonica per unità di energia rispetto al gas naturale.

Invece di bruciare carbone, Dhurjati vuole usare i microbi dell'intestino delle termiti per digerirlo, rilascio di gas naturale.

"Questo renderebbe molto l'energia a base di carbone, molto più pulito finché il mondo non avrà il tempo di passare completamente alle energie rinnovabili come l'eolico e il solare, " Egli ha detto.

Il mondo ha circa 1,1 trilioni di tonnellate di carbone:queste sono riserve che possono essere estratte con la tecnologia esistente, secondo la U.S. Energy Information Administration. Si stima che tale quantità durerà circa altri 150 anni con gli attuali tassi di produzione, ha detto la World Coal Association. Cina e India sono i maggiori consumatori di carbone, e gli Stati Uniti hanno le maggiori riserve accertate di carbone.

Eppure meno del 5% del carbone mondiale è considerato "estraibile". Secondo la US Energy Information Administration, Il 90,7 per cento di tutti i combustibili fossili nel mondo si trova in profondità, giacimenti di carbone inestinguibili, seguito dal carbone estraibile al 4,8 per cento, gas naturale al 2,3 per cento, e petrolio al 2,2 per cento.

La stragrande maggioranza del carbone è rinchiusa nel sottosuolo nelle cuciture 1, 000 piedi o più di profondità, equivalenti a tre Statue della Libertà impilate l'una sull'altra e poi alcune.

In un processo chiamato estrazione del metano dal letto di carbone, che è stato sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti dagli anni '80, fori o "pozzi" vengono perforati dalla superficie ai giacimenti di carbone sotterranei per accedere al metano intrappolato secoli fa quando si è formato il carbone. Diversi stati degli Stati Uniti, così come l'Australia e l'India, usa questo metodo.

Dhurjati ha detto che spera di impiegare minatori di microbi in uno di questi siti per nutrirsi di carbone e produrre un flusso costante di gas naturale, convogliato in superficie.

"ARCTECH ha i microbi e la tecnologia, e i nostri modelli informatici ci hanno aiutato a scoprire fattori chiave e limitazioni che in precedenza impedivano la commercializzazione della tecnologia sotterranea, " ha detto. "La tecnologia è pronta per partire".

Una "risorsa per le pari opportunità"

Dhurjati considera il carbone "una risorsa per le pari opportunità". Anche se gli Stati Uniti ospitano la più grande offerta mondiale, più di 70 paesi hanno risorse di carbone.

"Il nostro obiettivo è aiutare i paesi a utilizzare il carbone in modo sicuro, modo pulito, mentre il mondo continua a passare alle energie rinnovabili, " Ha detto Dhurjati. "Questo è uno dei progetti più importanti in cui sia mai stato coinvolto, e ha il potenziale per essere un vero punto di svolta".

Abhilash Sharma, una laurea specialistica in ingegneria presso Marietta, Georgia, e il primo autore sulla carta, si è offerto volontario per fare ricerche sulla squadra di Dhurjati quando era al secondo anno e ha continuato da allora perché ha detto che crede così profondamente nel lavoro.

"Il carbone è così incredibilmente abbondante che sarebbe sbagliato ignorarlo, " ha detto Sharma. "Ci stiamo muovendo verso una nuova mentalità in cui invece di mandare le persone sottoterra, manderemo i microbi sottoterra e lasceremo che le persone sopra si occupino di ciò che i microbi portano fuori. Così facendo, daremo alle persone molte più competenze anche per i lavori futuri."