大気中のCO2を削減するための秘密兵器は何ですか?この記事は理解するのに役立ちます

近年、人々は地球温暖化に慣れてきたようで、科学者たちは「地球温室効果」について警告を発し続けています。人間の活動の影響により、大気中の二酸化炭素（CO2）含有量は自然変化の限界を超えています。南極のボストーク氷河から採取された氷床コアの分析により、現在の大気中の二酸化炭素濃度は地球史上かつてないレベルまで上昇しており、一連の環境問題を引き起こすことになるだろうことが明らかになった。

世界中の科学技術者たちは、気候温暖化への悪影響を最小限に抑えるために、さまざまな方法で二酸化炭素を固定しようと試みてきました。森林固定方法は、木材生産の変動、天候、気候、肥料としての二酸化炭素の影響、集中的な植林方法など、土地利用の変化や森林自体の吸収能力の影響を受け、木材生産は不確実性に満ちています。試験の結果、廃棄された天然ガス貯蔵庫を使用して二酸化炭素を貯蔵できる容量は、海洋の貯蔵容量よりわずかに少ないことが判明しました。海洋貯留は海洋生態系に影響を及ぼす可能性があり、二酸化炭素の海洋貯留は二酸化炭素排出量が多くても海から遠い国や地域には適していません。科学者たちは、生物起源の天然ガス田に二酸化炭素を貯蔵することで、ガス田に固有の嫌気性古細菌であるメタン生成菌（Methanogenus）（図1）を利用して二酸化炭素をメタンに変換し、同時にエネルギー再生を達成できると考えています。

メタン生成菌による二酸化炭素固定の応用研究

1999年、日本の科学者たちは、ガスハイドレート層の下または永久凍土層の下に二酸化炭素を注入することを提案した。深くて温度の低い帯水層は二酸化炭素を自動的に封じ込め、二酸化炭素を地中に貯蔵するという目的を達成します。独立栄養細菌は、日光が当たらない深い環境で二酸化炭素を固定します。メタン生成菌は、深海の嫌気性条件下で二酸化炭素をメタンに変換することができます。数十年または数世紀にわたって CO2 が地中に注入されると、地下の炭化水素層が形成されると予想されます。

ガスハイドレートは、多くの場合、高圧・低温の深海地殻の下に存在します。天然ガスは、天然ガスを隔離するガスハイドレート層の下または永久凍土層の下に蓄積される可能性があります。懸念されるのは、地球温暖化によって永久凍土が溶け、ハイドレートが温まり、そこに蓄積されたメタンの放出が加速される可能性があることだ。永久凍土とメタンハイドレート層に二酸化炭素を注入すると、注入された二酸化炭素が永久凍土とメタンハイドレート層を強化するため、蓄積されたメタンを抽出し、地球温暖化の加速を防ぐことができます。二酸化炭素ハイドレートは、高温では氷よりも安定しており、高圧ではメタンハイドレートよりも安定しています。したがって、理論的には、これは有効なアプローチです。

二酸化炭素の地下貯蔵

CO2 を帯水層に注入し、活性メタン生成菌が存在する地下水に溶解させると、水素が存在する限り、メタン生成菌は CO2 をメタンに変換します。さらに、メタンは水から分離して上方に移動する傾向があります。そのため、メタンは貯留層の上部に蓄積されることが多いです。地下の微生物と環境は多様であるため、二酸化炭素を微生物によって固定し、リサイクルするには、適切な細菌種と生態環境に関する広範かつ慎重な研究が必要です。

2000年、米国エネルギー省は、自然界には二酸化炭素をメタンに変換できるメタン生成菌が多数存在すると提唱した。一部のメタン生成菌は高温高圧の極限環境でも生存します。したがって、有用なメタン生成細菌を培養して選択し、生物学、化学、地球物理学、その他の分野の交差点を通じて微生物設計またはバイオミミクリーシステムを確立する必要があります。このシステムでは、二酸化炭素をメタンに変換することができます。

東ジャワ海のテラン・シルサンガス田、我が国のチャイダム盆地バイオガス田、雲南省のルリャン盆地バイオガス田など、バイオジェニック天然ガスがガス田の主体となり得ることを示す証拠は数多くあります。統計によると、地球上の天然ガスの20％はメタン生成菌によって生成され、そのうち2/3は酢酸発酵によって生成され、1/3は二酸化炭素固定によって生成されます。

遺伝子解読、遺伝子配列の解析、新しい酵素の特定、優れたメタン生成菌の選択の開発は、二酸化炭素からメタンへの変換を加速させる上で大きな役割を果たすでしょう。科学者たちは、高温高圧の極限環境に生息するいくつかの生物を深海の煙突から分離し、石油と天然ガスの生産に適した層に置き、天然ガスの生産をさらに促進させようとした。

カナダでは、科学者らがすでに二酸化炭素を利用して石油回収率を高めたり、深部帯水層に二酸化炭素を注入したり、あるいは放棄された石油・ガス井に二酸化炭素を注入したりする技術を開発しているが、こうした方法で堆積する二酸化炭素の量は非常に多いものの、経済的な利益は生み出されていない。

深部の炭層に二酸化炭素を注入すると、二酸化炭素を堆積させながら炭層のメタン回収率を高めることができます。炭層メタンを原料とする発電所から発生する二酸化炭素の廃ガスをリサイクルして炭層に注入することで、より多くの炭層メタンを生成し、発電所に供給することができ、二酸化炭素の産業付加価値を大幅に高めることができます。

メタン生成菌の役割

メタン生成菌は、高温、高塩分、高圧の条件下で生存できる、厳密な嫌気性古細菌の一種です。二酸化炭素を基質としてメタンを生成する特性を持っています。自然界の炭素循環における嫌気性食物連鎖の末端に位置し、自然界の物質循環において重要な役割を果たしています。これらはさまざまな巨視的および微視的生物とは異なり、生物学界ではかつて「第3の生物」と呼ばれていました。ほとんどのメタン生成菌は、二酸化炭素の還元剤として水素を使用して有機物を合成することができます。同時に、特殊な嫌気呼吸、メタン発酵、炭酸塩呼吸も利用して、生命活動に必要なエネルギーを得ています。

1997年、中国農業農村部の嫌気性微生物重点開放実験室は、メタン生成菌の生態環境は、大きく分けて3つのカテゴリーに分類できると考えました。(1) 農村バイオガス消化装置と嫌気性下水処理システム。複合有機物の加水分解と発酵、水素と酢酸の生成、メタン生成、ホモ酢酸生成の4つの段階すべてを経ます。 （２）反芻動物のルーメンでは加水分解と発酵、そしてメタン生成の２段階のみが行われます。ルーメン内での発酵によりさまざまな脂肪酸が生成され、消化管の内壁による急速な吸収を促進しますが、水素と酢酸の生成段階はありません。 （３）温泉や海底火山熱水噴出孔に代表される地質学的現象は、主に地球化学的プロセスを通じて水素と二酸化炭素を生成します。メタンの生成には、少なくともメタン生成段階とホモ酢酸生成段階が含まれます。

メタン生成菌を用いた二酸化炭素の地中固定に関する研究は、メタン生成菌の特性と多様性を活用し、培養に適した菌株を選択し、応用に適した特性を開発するという2つの側面から行うことができます。二つ目は、地下の生態環境に存在する菌株に適した条件を整え、本来の生態環境を維持することです。 2番目の方法は世界各国の注目を集め、徐々に新しい科学になりつつあります。北京大学の地球科学者らはツァイダム盆地で予備的な実験研究を実施し、非常に満足のいく結果を達成し、この方法の産業的推進のための良好な基礎を築いた。

成功のモデル

2002年、欧州連合は京都議定書の要件を遵守するために、2008年から2012年の間にヨーロッパの温室効果ガス排出量を8%削減する計画を立てました。これには、年間平均600万トンのCO2排出量の削減が必要になります。短期的な対策としては、エネルギー効率の改善や化石燃料から再生可能燃料への切り替えなどが挙げられる。しかし、大気中の温室効果ガス濃度を安定させるという国連の長期目標には、二酸化炭素排出量のさらなる削減が必要です。

2003 年 1 月、ヨーロッパは、ヨーロッパ諸国の石油会社、請負業者、地質科学、その他の専門学校や技術大学を含む、大気中の二酸化炭素濃度を削減するためのさまざまな企業と科学研究機関の共同の取り組みを調整することを目的とした組織を設立しました。

このプログラムの目的は、（1）欧州大陸におけるCO2の貯留、回収、削減計画の共同研究を促進し、その実施を支援することである。 （２）石油の探査及び開発に関する戦略を評価し、修正すること。 （３）欧州及び各国の政策立案に必要な情報を提供すること（4）技術イベント、会議、ウェブサイトの出版を通じて、さまざまなCO2回収・貯留技術に対する一般の認識と認知度を高めること。

欧州委員会の第5次枠組み計画では、地下の塩水層、炭層の亀裂、廃油田、海面上の地質学的貯留層に二酸化炭素を注入し、地層における二酸化炭素の自然蓄積の原因を分析することなど、二酸化炭素貯留の安全性と環境への影響を評価するための6つのプログラムが開始されようとしている。さらに、このプログラムは、カナダのサスカチュワン州にあるウェイバーン油田への二酸化炭素注入の研究を支援しています。科学者たちは、この研究の結果と重要性をより深く理解するために、地球化学分析とモデリングに取り組んでいます。

著者: 興奮