Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Покрај тоа, за да обезбедиме постојана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Прикажува рингишпил од три слајдови одеднаш.Користете ги копчињата Previous и Next за да се движите низ три слајдови истовремено или користете ги копчињата за лизгање на крајот за да се движите низ три слајдови истовремено.
Зафаќањето и складирањето на јаглеродот е од суштинско значење за постигнување на целите на Парискиот договор.Фотосинтезата е технологија на природата за фаќање јаглерод.Црпејќи инспирација од лишаите, развивме 3D биокомпозит од фотосинтетички цијанобактерии (т.е. имитирајќи лишаи) користејќи акрилен латекс полимер нанесен на сунѓер за луфа.Стапката на навлегување на CO2 од биокомпозитот беше 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 биомаса d-1.Стапката на навлегување се заснова на сува биомаса на почетокот на експериментот и вклучува CO2 што се користи за одгледување нова биомаса, како и CO2 содржан во складишните соединенија како што се јаглехидратите.Овие стапки на навлегување беа 14-20 пати повисоки од мерките за контрола на кашеста маса и потенцијално би можеле да се зголемат до зафаќање на 570 t CO2 t-1 биомаса годишно-1, што е еквивалентно на 5,5-8,17 × 106 хектари користење на земјиштето, отстранувајќи 8-12 GtCO2 CO2 годишно.Спротивно на тоа, шумската биоенергија со зафаќање и складирање на јаглерод е 0,4-1,2 × 109 ha.Биокомпозитот остана функционален 12 недели без дополнителни хранливи материи или вода, по што експериментот беше прекинат.Во рамките на повеќеслојната технолошка позиција на човештвото за борба против климатските промени, конструираните и оптимизирани цијанобактериски биокомпозити имаат потенцијал за одржливо и скалабилно распоредување за да се зголеми отстранувањето на CO2 додека се намалуваат загубите на вода, хранливи материи и користење на земјиштето.
Климатските промени се вистинска закана за глобалниот биодиверзитет, стабилноста на екосистемот и луѓето.За да се ублажат неговите најлоши ефекти, потребни се координирани и големи програми за декарбуризација и, се разбира, потребна е некаква форма на директно отстранување на стакленички гасови од атмосферата.И покрај позитивната декарбонизација на производството на електрична енергија2,3, во моментов нема економски одржливи технолошки решенија за намалување на атмосферскиот јаглерод диоксид (CO2)4, иако апсењето на димните гасови напредува5.Наместо скалабилни и практични инженерски решенија, луѓето треба да се обратат кон природни инженери за фаќање јаглерод - фотосинтетички организми (фототрофни организми).Фотосинтезата е природна технологија за секвестрација на јаглерод, но нејзината способност да го промени антропогеното збогатување на јаглерод на значајни временски размери е сомнителна, ензимите се неефикасни и неговата способност да се распореди во соодветни размери е сомнителна.Потенцијална авенија за фототрофија е пошумувањето, кое сече дрвја за биоенергија со зафаќање и складирање на јаглерод (BECCS) како технологија за негативни емисии што може да помогне во намалувањето на нето емисиите на CO21.Меѓутоа, за да се постигне целта за температура од Парискиот договор од 1,5°C со користење на BECCS како главен метод ќе бидат потребни 0,4 до 1,2 × 109 ha, што е еквивалентно на 25-75% од сегашното глобално обработливо земјиште6.Дополнително, неизвесноста поврзана со глобалните ефекти од оплодувањето со CO2 ја доведува во прашање потенцијалната севкупна ефикасност на шумските насади7.Ако сакаме да ги достигнеме температурните цели поставени со Парискиот договор, 100 секунди GtCO2 стакленички гасови (GGR) мора да се отстрануваат од атмосферата секоја година.Одделот за истражување и иновации на Обединетото Кралство неодамна објави финансирање за пет проекти GGR8, вклучително и управување со тресети, подобрено атмосферско влијание на карпите, садење дрвја, биокар и повеќегодишни култури за да се нахрани процесот на BECCS.Трошоците за отстранување на повеќе од 130 MtCO2 од атмосферата годишно се 10-100 US$/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 годишно за обновување на тресетите, 52-480 US$/tCO2 и 12-27 MtCO2 годишно за атмосферски влијанија на карпите. , 0,4-30 УСД/година.tCO2, 3,6 MtCO2/год., 1% зголемување на шумската површина, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/год., биојадар, 140-270 US$/tCO2, 20-70 Mt CO2 годишно за постојани култури кои користат BECCS9.
Комбинацијата од овие пристапи потенцијално би можела да ја достигне целта од 130 Mt CO2 годишно, но трошоците за атмосферски влијанија на карпите и BECCS се високи, а биокардот, иако е релативно евтин и не е поврзан со употребата на земјиштето, бара суровина за процесот на производство на биојаглерод.го нуди овој развој и број за распоредување на други GGR технологии.
Наместо да барате решенија на копно, барајте вода, особено едноклеточни фототрофи како што се микроалгите и цијанобактериите10.Алгите (вклучувајќи ги и цијанобактериите) зафаќаат приближно 50% од јаглерод диоксидот во светот, иако тие сочинуваат само 1% од светската биомаса11.Цијанобактериите се оригинални биогеоинженери на природата, кои ја поставуваат основата за респираторниот метаболизам и еволуцијата на повеќеклеточниот живот преку кислородна фотосинтеза12.Идејата за користење на цијанобактерии за фаќање на јаглеродот не е нова, но иновативните методи на физичко поставување отвораат нови хоризонти за овие древни организми.
Отворените бари и фотобиореакторите се стандардни средства кога се користат микроалги и цијанобактерии за индустриски цели.Овие системи на култура користат култура на суспензија во која клетките слободно лебдат во медиум за раст14;сепак, езерцата и фотобиореакторите имаат многу недостатоци како што се слаб пренос на маса на CO2, интензивна употреба на земјиште и вода, подложност на бионасипување и високи трошоци за изградба и работа15,16.Биофилмските биореактори кои не користат култури на суспензија се поекономични во однос на водата и просторот, но се изложени на ризик од оштетување од сушење, склони кон одвојување на биофилмот (а со тоа и губење на активната биомаса) и подеднакво се склони кон бионасипување17.
Потребни се нови пристапи за да се зголеми стапката на навлегување на CO2 и да се решат проблемите што ги ограничуваат реакторите со кашеста маса и биофилм.Еден таков пристап се фотосинтетичките биокомпозити инспирирани од лишаите.Лишаите се комплекс од габи и фотобионти (микроалги и/или цијанобактерии) кои покриваат приближно 12% од површината на Земјата18.Габите обезбедуваат физичка поддршка, заштита и закотвување на фотобиотичкиот супстрат, што пак им обезбедува на габите јаглерод (како вишок фотосинтетички производи).Предложениот биокомпозит е „миметик на лишаи“, во кој концентрирана популација на цијанобактерии е имобилизирана во форма на тенка биооблога на носачка подлога.Покрај клетките, биооблогата содржи полимерна матрица која може да ја замени габата.Се претпочитаат полимерни емулзии или „латекси“ на база на вода бидејќи се биокомпатибилни, издржливи, евтини, лесни за ракување и комерцијално достапни19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Фиксацијата на клетките со латекс полимери е под големо влијание на составот на латексот и процесот на формирање филм.Емулзиската полимеризација е хетероген процес кој се користи за производство на синтетичка гума, лепливи премази, заптивки, адитиви за бетон, хартија и текстилни облоги и латекс бои27.Има голем број на предности во однос на другите методи на полимеризација, како што се високата стапка на реакција и ефикасноста на конверзија на мономери, како и леснотијата на контрола на производот27,28.Изборот на мономери зависи од саканите својства на добиениот полимерен филм, а за мешаните мономерни системи (т.е. кополимеризации), својствата на полимерот може да се променат со избирање на различни соодноси на мономери кои го формираат добиениот полимерен материјал.Бутил акрилат и стирен се меѓу најчестите акрилни латекс мономери и се користат овде.Дополнително, средствата за спојување (на пр. Тексанол) често се користат за промовирање на еднообразно формирање на филм каде што тие можат да ги променат својствата на полимерниот латекс за да создадат силна и „континуирана“ (спојувачка) обвивка.Во нашата првична студија за доказ за концепт, 3D биокомпозит со висока површина и висока порозност беше изработен со помош на комерцијална латексна боја нанесена на сунѓер за луфа.По долги и континуирани манипулации (осум недели), биокомпозитот покажа ограничена способност да ги задржи цијанобактериите на скелето на луфата бидејќи растот на клетките го ослабуваше структурниот интегритет на латексот.Во тековната студија, имавме за цел да развиеме серија полимери на акрилен латекс со позната хемија за континуирана употреба во апликации за зафаќање на јаглерод без да се жртвува деградацијата на полимерот.Притоа, ја покажавме способноста да создадеме полимерни матрични елементи слични на лишаи кои обезбедуваат подобрени биолошки перформанси и значително зголемена механичка еластичност во споредба со докажаните биокомпозити.Понатамошната оптимизација ќе го забрза навлегувањето на биокомпозитите за зафаќање на јаглеродот, особено кога се комбинираат со цијанобактерии метаболички модифицирани за да се подобри секвестрацијата на CO2.
Девет латекси со три полимерни формулации (H = „тврди“, N = „нормални“, S = „меки“) и три типа на Тексанол (0, 4, 12% v/v) беа тестирани за токсичност и корелација на соеви.Лепило.од две цијанобактерии.Типот латекс значително влијаеше на S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Hare тест, латекс: DF=2, H=23.157, P=<0.001) и CCAP 1479/1A (двонасочна ANOVA, латекс: DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (сл. 1а).Концентрацијата на тексанол не влијаеше значително на растот на S. elongatus PCC 7942, само N-латексот беше нетоксичен (сл. 1а), а 0 N и 4 N одржуваа раст од 26% и 35%, соодветно (Mann- Whitney U, 0 N наспроти 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N наспроти контрола: W = 25,0, P = 0,061; 4 N наспроти контрола: W = 25,0, P = 0,061) и 12 N го задржале растот споредлив до биолошка контрола (Универзитет Ман-Витни, 12 N наспроти контрола: W = 17,0, P = 0,885).За S. elongatus CCAP 1479/1A, и мешавината на латекс и концентрацијата на тексанол беа важни фактори и беше забележана значајна интеракција помеѓу двата (двонасочна ANOVA, латекс: DF=2, F=103,93, P=<0,001, Тексанол : DF=2, F=5,96, P=0,01, Латекс*тексанол: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N и сите „меки“ латекси промовираат раст (сл. 1а).Постои тенденција за подобрување на растот со намалување на составот на стирен.
Тестирање на токсичност и адхезија на цијанобактерии (Synechococcus elongatus PCC 7942 и CCAP 1479/1A) на латекс формулации, врска со температурата на транзиција на стакло (Tg) и матрица за одлучување врз основа на податоци за токсичност и адхезија.(а) Тестирањето на токсичност беше изведено со користење на посебни графики на процентуален раст на цијанобактерии нормализирани за контрола на суспензивните култури.Третманите означени со * се значително различни од контролите.(б) Податоци за растот на цијанобактериите наспроти Tg латекс (средна вредност ± SD; n = 3).(в) Кумулативниот број на цијанобактерии ослободени од тестот за адхезија на биокомпозитот.(г) Податоци за адхезија наспроти Tg на латексот (средна вредност ± StDev; n = 3).д Матрица на одлука базирана на податоци за токсичност и адхезија.Односот на стирен и бутил акрилат е 1:3 за „тврд“ (H) латекс, 1:1 за „нормален“ (N) и 3:1 за „мек“ (S).Претходните бројки во кодот на латекс одговараат на содржината на Тексанол.
Во повеќето случаи, одржливоста на клетките се намалуваше со зголемување на концентрацијата на тексанол, но немаше значајна корелација за ниту еден од соеви (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).На сл.1б ја покажува врската помеѓу растот на клетките и температурата на стаклена транзиција (Tg).Постои силна негативна корелација помеѓу концентрацијата на тексанол и вредностите на Tg (H-латекс: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-латекс: DF=7, r=-0,964, P=<0,001 S- латекс: DF=7, r=-0,946, P=<0,001).Податоците покажаа дека оптималниот Tg за раст на S. elongatus PCC 7942 беше околу 17 °C (Слика 1б), додека S. elongatus CCAP 1479/1A фаворизираше Tg под 0 °C (Слика 1б).Само S. elongatus CCAP 1479/1A имаше силна негативна корелација помеѓу Tg и податоците за токсичност (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Сите латекси имаа добар афинитет за адхезија и ниту еден од нив не ослободи повеќе од 1% од клетките по 72 часа (сл. 1в).Немаше значајна разлика помеѓу латексите од двата вида на S. elongatus (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara тест, Latex*Texanol, DF=4, H=0.903; P=0.924; CCAP 1479/1A: Scheirer- Тест со зраци).– Тест за зајаци, латекс*тексанол, DF=4, H=3,277, P=0,513).Како што се зголемува концентрацијата на Тексанол, се ослободуваат повеќе клетки (слика 1в).во споредба со S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Слика 1г).Понатаму, немаше статистичка врска помеѓу Tg и клеточната адхезија на двата соеви (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
За двата вида, „тврдите“ латекс полимери беа неефикасни.Спротивно на тоа, 4N и 12N се покажаа најдобро против S. elongatus PCC 7942, додека 4S и 12S беа најдобри против CCAP 1479/1A (сл. 1e), иако очигледно постои простор за понатамошна оптимизација на полимерната матрица.Овие полимери се користени во полу-сериски нето навлегување на CO2 тестови.
Фотофизиологијата беше следена 7 дена користејќи клетки суспендирани во воден состав од латекс.Општо земено, и привидната стапка на фотосинтеза (PS) и максималниот PSII квантен принос (Fv/Fm) се намалуваат со текот на времето, но ова намалување е нерамномерно и некои збирки на податоци PS покажуваат двофазен одговор, што укажува на делумен одговор, иако обновување во реално време пократка активност на ПС (сл. 2а и 3б).Двофазниот Fv/Fm одговор беше помалку изразен (слики 2б и 3б).
(а) Очигледна стапка на фотосинтеза (PS) и (б) максимален PSII квантен принос (Fv/Fm) на Synechococcus elongatus PCC 7942 како одговор на латекс формулации во споредба со контролните култури на суспензија.Односот на стирен и бутил акрилат е 1:3 за „тврд“ (H) латекс, 1:1 за „нормален“ (N) и 3:1 за „мек“ (S).Претходните бројки во кодот на латекс одговараат на содржината на Тексанол.(средна ± стандардна девијација; n = 3).
(а) Очигледна стапка на фотосинтеза (PS) и (б) максимален PSII квантен принос (Fv/Fm) на Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A како одговор на латекс формулации во споредба со контролните култури на суспензија.Односот на стирен и бутил акрилат е 1:3 за „тврд“ (H) латекс, 1:1 за „нормален“ (N) и 3:1 за „мек“ (S).Претходните бројки во кодот на латекс одговараат на содржината на Тексанол.(средна ± стандардна девијација; n = 3).
За S. elongatus PCC 7942, составот на латекс и концентрацијата на Тексанол не влијаеле на PS со текот на времето (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), иако составот бил важен фактор (GLM)., латекс*време, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Сл. 2а).Немаше значаен ефект на концентрацијата на Тексанол со текот на времето (GLM, Texanol*time, DF=14, F=1,63, P=0,078).Имаше значајна интеракција што влијаеше на Fv/Fm (GLM, Латекс*Тексанол*Време, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Интеракцијата помеѓу формулацијата на латекс и концентрацијата на Тексанол имаше значаен ефект врз Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Секој параметар, исто така, влијае на Fv/Fm со текот на времето (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 и Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=< 0,001).Латекс 12H ги задржа најниските просечни вредности на PS и Fv/Fm (слика 2б), што покажува дека овој полимер е поотровен.
PS на S. elongatus CCAP 1479/1A беше значително различен (GLM, латекс * Тексанол * време, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), со состав на латекс наместо концентрација на Тексанол (GLM, Латекс*време, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Тексанол*време, DF=14, F=1,26, P=0,239).„Меките“ полимери 0S и 4S одржуваа малку повисоки нивоа на перформанси на PS од контролните суспензии (Mann-Whitney U, 0S наспроти контролите, W = 686,0, P = 0,044, 4S наспроти контролите, W = 713, P = 0,01) и одржуваа подобрена Fv./Fm (сл. 3а) покажува поефикасен транспорт до Photosystem II.За вредностите на Fv/Fm на клетките CCAP 1479/1A, имаше значителна разлика во латекс со текот на времето (GLM, Латекс*Тексанол*Време, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Слика 3б).).
На сл.4 ги прикажува просечните PS и Fv/Fm во период од 7 дена како функција на растот на клетките за секој вид.S. elongatus PCC 7942 немаше јасна шема (слика 4а и б), меѓутоа, CCAP 1479/1A покажа параболична врска помеѓу вредностите PS (сл. 4в) и Fv/Fm (сл. 4г) како соодносот на стирен и бутил акрилат расте со промена.
Врска помеѓу растот и фотофизиологијата на Synechococcus longum на препарати од латекс.(а) Податоци за токсичност нацртани според очигледната стапка на фотосинтетика (PS), (б) максимален PSII квантен принос (Fv/Fm) на PCC 7942. в Податоци за токсичност нацртани на PS и d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Односот на стирен и бутил акрилат е 1:3 за „тврд“ (H) латекс, 1:1 за „нормален“ (N) и 3:1 за „мек“ (S).Претходните бројки во кодот на латекс одговараат на содржината на Тексанол.(средна ± стандардна девијација; n = 3).
Биокомпозитот PCC 7942 имаше ограничен ефект врз задржувањето на клетките со значително истекување на клетките во текот на првите четири недели (Слика 5).По почетната фаза на навлегување на CO2, клетките фиксирани со 12 N латекс почнаа да ослободуваат CO2 и оваа шема опстојуваше помеѓу 4 и 14 дена (сл. 5б).Овие податоци се во согласност со набљудувањата за промена на бојата на пигментот.Нето навлегувањето на CO2 започна повторно од 18-тиот ден. И покрај ослободувањето на клетките (сл. 5а), биокомпозитот PCC 7942 12 N сè уште акумулираше повеќе CO2 од контролната суспензија во текот на 28 дена, иако малку (Mann-Whitney U-тест, W = 2275,5; P = 0,066).Стапката на апсорпција на CO2 од латекс 12 N и 4 N е 0,51 ± 0,34 и 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 биомаса d-1.Имаше статистички значајна разлика помеѓу нивото на третман и времето (Chairer-Ray-Hare тест, третман: DF=2, H=70,62, P=<0,001 време: DF=13, H=23,63, P=0,034), но тоа не беше.имаше значајна врска помеѓу третманот и времето (Chairer-Ray-Har тест, време*третман: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Тестови за навлегување на CO2 со половина серија на биокомпозити на Synechococcus elongatus PCC 7942 со користење на 4N и 12N латекс.(а) Сликите покажуваат ослободување на клетките и промена на бојата на пигментот, како и SEM слики од биокомпозитот пред и по тестирањето.Белите точки со точки ги означуваат местата на таложење на клетките на биокомпозитот.(б) Кумулативно нето навлегување на CO2 во период од четири недели.„Нормалниот“ (N) латекс има сооднос на стирен и бутил акрилат од 1:1.Претходните бројки во кодот на латекс одговараат на содржината на Тексанол.(средна ± стандардна девијација; n = 3).
Задржувањето на клетките беше значително подобрено за сојот CCAP 1479/1A со 4S и 12S, иако пигментот полека ја менуваше бојата со текот на времето (сл. 6а).Биокомпозитот CCAP 1479/1A апсорбира CO2 цели 84 дена (12 недели) без дополнителни додатоци во исхраната.SEM анализата (сл. 6а) го потврди визуелното набљудување на одвојувањето на малите клетки.Првично, клетките беа обвиткани во латекс обвивка која го одржуваше својот интегритет и покрај растот на клетките.Стапката на навлегување на CO2 беше значително повисока од контролната група (Scheirer-Ray-Har тест, третман: DF=2; H=240,59; P=<0,001, време: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Сл. 6б).Биокомпозитот 12S постигна највисок внес на CO2 (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 биомаса на ден), додека латексот 4S беше 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 биомаса дневно, но тие не се разликуваа значително (Mann-Whitney U тест, W = 1507,50; P = 0,07) и нема значајна интеракција помеѓу третманот и времето (Shirer-Rey-Hara тест, време * третман: DF = 82; H = 10 ,37; P = 1,000).
Тестирање за навлегување на CO2 на половина дел со употреба на биокомпозити Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A со 4N и 12N латекс.(а) Сликите покажуваат ослободување на клетките и промена на бојата на пигментот, како и SEM слики од биокомпозитот пред и по тестирањето.Белите точки со точки ги означуваат местата на таложење на клетките на биокомпозитот.(б) Кумулативно нето навлегување на CO2 во период од дванаесет недели.„Мекиот“ (S) латекс има сооднос на стирен и бутил акрилат од 1:1.Претходните бројки во кодот на латекс одговараат на содржината на Тексанол.(средна ± стандардна девијација; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Har тест, време*третман: DF=4, H=3.243, P=0.518) или биокомпозит S. elongatus CCAP 1479/1A (two-ANOVA, време*третман: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (Сл. S4).Биокомпозитот PCC 7942 имаше најголема содржина на јаглени хидрати во недела 2 (4 N = 59,4 ± 22,5 wt%, 12 N = 67,9 ± 3,3 wt%), додека контролната суспензија имаше најголема содржина на јаглени хидрати во 4-та недела кога (контрола = 59,6% ± 28. w/w).Вкупната содржина на јаглени хидрати на биокомпозитот CCAP 1479/1A беше споредлива со контролната суспензија, освен на почетокот на испитувањето, со некои промени во латексот 12S во 4-та недела. Највисоките вредности за биокомпозитот беа 51,9 ± 9,6 wt% за 4S и 77,1 ± 17,0 wt% за 12S.
Тргнавме да ги демонстрираме можностите за дизајн за подобрување на структурниот интегритет на полимерните облоги од латекс со тенок филм како важна компонента на концептот на биокомпозитен мимик на лишаи без да се жртвува биокомпатибилноста или перформансите.Навистина, ако се надминат структурните предизвици поврзани со растот на клетките, очекуваме значителни подобрувања во перформансите во однос на нашите експериментални биокомпозити, кои веќе се споредливи со другите системи за зафаќање јаглерод од цијанобактерии и микроалги.
Облогите мора да бидат нетоксични, издржливи, да поддржуваат долгорочна адхезија на клетките и мора да бидат порозни за да промовираат ефикасен пренос на маса на CO2 и дегасирање на О2.Акрилните полимери од типот на латекс се лесни за подготовка и широко се користат во индустријата за бои, текстил и лепила30.Комбиниравме цијанобактерии со акрилна латекс полимерна емулзија на база на вода, полимеризирана со специфичен однос на честички стирен/бутил акрилат и различни концентрации на Тексанол.Стирен и бутил акрилат беа избрани за да можат да ги контролираат физичките својства, особено еластичноста и ефикасноста на спојување на облогата (критична за силна и високолеплива обвивка), овозможувајќи синтеза на „тврди“ и „меки“ агрегати на честички.Податоците за токсичноста сугерираат дека „тврдиот“ латекс со висока содржина на стирен не е погодна за опстанок на цијанобактериите.За разлика од бутил акрилат, стиренот се смета за токсичен за алгите32,33.Видовите на цијанобактерии реагираа сосема поинаку на латекс, а оптималната температура на стаклена транзиција (Tg) беше одредена за S. elongatus PCC 7942, додека S. elongatus CCAP 1479/1A покажа негативна линеарна врска со Tg.
Температурата на сушење влијае на способноста да се формира континуиран униформа латекс филм.Ако температурата на сушење е под минималната температура за формирање филм (MFFT), честичките од полимерниот латекс нема целосно да се спојат, што ќе резултира со адхезија само на интерфејсот на честичките.Добиените филмови имаат слаба адхезија и механичка цврстина и може да бидат дури и во форма на прав29.MFFT е тесно поврзан со Tg, кој може да се контролира со состав на мономер и додавање на коалесценти како што е Тексанол.Tg одредува многу физички својства на добиената обвивка, која може да биде во гумена или стаклена состојба34.Според равенката Флори-Фокс35, Tg зависи од видот на мономерот и од релативниот процентуален состав.Додавањето на коалесцент може да го намали MFFT со наизменично потиснување на Tg на честичките од латекс, што овозможува формирање на филм на пониски температури, но сепак формира тврд и силен слој бидејќи коалесцентот полека испарува со текот на времето или бил извлечен 36 .
Зголемувањето на концентрацијата на Тексанол го промовира формирањето на филм со омекнување на полимерните честички (намалување на Tg) поради апсорпција од честичките за време на сушењето, со што се зголемува јачината на кохезивниот филм и адхезијата на клетките.Бидејќи биокомпозитот се суши на амбиентална температура (~18-20°C), Tg (30 до 55°C) на „тврдиот“ латекс е повисока од температурата на сушење, што значи дека спојувањето на честичките може да не е оптимално, што резултира со Б филмовите кои остануваат стаклестото тело, лошите механички и адхезивни својства, ограничената еластичност и дифузноста30 на крајот доведуваат до поголема загуба на клетките.Формирањето филм од „нормални“ и „меки“ полимери се случува на или под Tg на полимерната фолија, а формирањето на филмот се подобрува со подобрено спојување, што резултира со континуирани полимерни филмови со подобрени механички, кохезивни и лепливи својства.Резултирачкиот филм ќе остане гумен за време на експериментите за зафаќање на CO2 поради тоа што неговата Tg е блиску до („нормална“ мешавина: 12 до 20 ºC) или многу пониска („мека“ мешавина: -21 до -13 °C) до температурата на околината 30 .„Цврстиот“ латекс (3,4 до 2,9 kgf mm–1) е три пати потврд од „нормалниот“ латекс (1,0 до 0,9 kgf mm–1).Тврдоста на „меките“ латекси не може да се мери со микроцврстина поради нивната прекумерна гумавост и лепливост на собна температура.Површинскиот полнеж може да влијае и на афинитетот на адхезијата, но потребни се повеќе податоци за да се обезбедат значајни информации.Сепак, сите латекси ефикасно ги задржаа клетките, ослободувајќи помалку од 1%.
Продуктивноста на фотосинтезата се намалува со текот на времето.Изложеноста на полистирен доведува до нарушување на мембраната и оксидативен стрес38,39,40,41.Вредностите Fv/Fm на S. elongatus CCAP 1479/1A изложени на 0S и 4S беа речиси двојно повисоки во споредба со контролата на суспензијата, што е во добра согласност со стапката на навлегување на CO2 на биокомпозитот 4S, како и со пониски средни вредности на PS.вредности.Повисоките вредности на Fv/Fm покажуваат дека транспортот на електрони до PSII може да испорача повеќе фотони42, што може да резултира со повисоки стапки на фиксација на CO2.Сепак, треба да се забележи дека фотофизиолошките податоци се добиени од клетки суспендирани во водени раствори од латекс и не мора да бидат директно споредливи со зрели биокомпозити.
Ако латексот создава бариера за размена на светлина и/или гас што резултира со ограничување на светлината и CO2, може да предизвика клеточен стрес и да ги намали перформансите, а ако влијае на ослободувањето на О2, фотореспирација39.Преносот на светлината на зацврстените облоги беше оценет: „тврдиот“ латекс покажа мало намалување на преносот на светлина помеѓу 440 и 480 nm (делумно подобрен со зголемување на концентрацијата на Тексанол поради подобреното спојување на филмот), додека „мек“ и „редовно Латексот покажа мало намалување на преносот на светлина.не покажува забележителна загуба на загуба.Анализите, како и сите инкубации, беа извршени со слаб интензитет на светлина (30,5 µmol m-2 s-1), така што секое фотосинтетички активно зрачење поради полимерната матрица ќе се компензира, па дури и може да биде корисно за спречување на фотоинхибиција.при штетен интензитет на светлина.
Биокомпозитот CCAP 1479/1A функционираше во текот на 84 дена од тестирањето, без обрт на хранливи материи или значителна загуба на биомаса, што е клучна цел на студијата.Депигментацијата на клетките може да биде поврзана со процес на хлороза како одговор на гладувањето со азот за да се постигне долгорочно преживување (состојба на одмор), што може да им помогне на клетките да продолжат со растот откако ќе се постигне доволна акумулација на азот.Сликите на SEM потврдија дека клетките останале внатре во обвивката и покрај клеточната делба, демонстрирајќи ја еластичноста на „мекиот“ латекс и на тој начин покажувајќи јасна предност во однос на експерименталната верзија.„Мекиот“ латекс содржи околу 70% бутил акрилат (по тежина), што е многу повисока од наведената концентрација за флексибилен слој по сушењето44.
Нетото навлегување на CO2 беше значително повисоко од она на контролната суспензија (14-20 и 3-8 пати повисоко за S. elongatus CCAP 1479/1A и PCC 7942, соодветно).Претходно, користевме модел за пренос на маса на CO2 за да покажеме дека главниот двигател на високото навлегување на CO2 е остриот градиент на концентрацијата на CO2 на површината на биокомпозитот31 и дека перформансите на биокомпозитот може да се ограничат со отпорност на пренос на маса.Овој проблем може да се надмине со инкорпорирање на нетоксични состојки кои не формираат филм во латексот за да се зголеми порозноста и пропустливоста на облогата26, но задржувањето на клетките може да биде загрозено бидејќи оваа стратегија неизбежно ќе резултира со послаб филм20.Хемискиот состав може да се менува при полимеризација за да се зголеми порозноста, што е најдобра опција, особено во однос на индустриското производство и приспособливоста45.
Перформансите на новиот биокомпозит во споредба со неодамнешните студии со употреба на биокомпозити од микроалги и цијанобактерии покажаа предности во прилагодувањето на стапката на вчитување на клетките (Табела 1) 21,46 и со подолго време на анализа (84 дена наспроти 15 часа46 и 3 недели21).
Волуметриската содржина на јаглени хидрати во клетките поволно се споредува со другите студии47,48,49,50 со употреба на цијанобактерии и се користи како потенцијален критериум за апсење на јаглерод и користење/обновување, како што се процесите на ферментација BECCS49,51 или за производство на биоразградливи биопластика52 .Како дел од образложението за оваа студија, претпоставуваме дека пошумувањето, дури и земено во концептот за негативни емисии на BECCS, не е лек за климатските промени и троши алармантен дел од обработливото земјиште во светот6.Како мисловен експеримент, беше проценето дека помеѓу 640 и 950 GtCO2 ќе треба да се отстранат од атмосферата до 2100 година за да се ограничи порастот на глобалната температура на 1,5 ° C53 (околу 8 до 12 GtCO2 годишно).За да се постигне ова со биокомпозит со подобри перформанси (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 биомаса годишно-1) ќе бара проширување на волуменот од 5,5 × 1010 до 8,2 × 1010 m3 (со споредлива фотосинтетска ефикасност), што содржи од 29 милијарди литри до 21. полимер.Ако се претпостави дека 1 m3 биокомпозити зафаќа 1 m2 површина, површината потребна за апсорпција на целниот годишен вкупен CO2 ќе биде помеѓу 5,5 и 8,17 милиони хектари, што е еквивалентно на 0,18-0,27% од погодни за живот на земјиштето во тропските предели и намалување на копнената површина.потребата за BECCS за 98-99%.Треба да се забележи дека теоретскиот сооднос на зафаќање се заснова на апсорпцијата на CO2 снимена при слаба осветленост.Штом биокомпозитот е изложен на поинтензивна природна светлина, стапката на навлегување на CO2 се зголемува, дополнително намалувајќи ги потребите за земјиште и насочувајќи ги скалите понатаму кон концептот на биокомпозит.Сепак, имплементацијата мора да биде на екваторот за постојан интензитет и времетраење на позадинското осветлување.
Глобалниот ефект на оплодувањето со CO2, односно зголемувањето на продуктивноста на вегетацијата предизвикано од зголемената достапност на CO2, се намали на повеќето земјишни површини, веројатно поради промените во клучните хранливи материи во почвата (N и P) и водните ресурси7.Ова значи дека копнената фотосинтеза може да не доведе до зголемување на навлегувањето на CO2, и покрај покачените концентрации на CO2 во воздухот.Во овој контекст, копнените стратегии за ублажување на климатските промени, како што е BECCS, имаат уште помала веројатност да успеат.Доколку се потврди овој глобален феномен, нашиот биокомпозит инспириран од лишаи би можел да биде клучна предност, трансформирајќи ги едноклеточните водни фотосинтетички микроби во „земни агенси“.Повеќето копнени растенија го фиксираат CO2 преку C3 фотосинтезата, додека C4 растенијата се поповолни за потопли, посуви живеалишта и се поефикасни при повисоки парцијални притисоци на CO254.Цијанобактериите нудат алтернатива што може да ги компензира застрашувачките предвидувања за намалена изложеност на јаглерод диоксид во постројките C3.Цијанобактериите ги надминаа фотореспираторните ограничувања со развивање на ефикасен механизам за збогатување со јаглерод во кој повисоки парцијални притисоци на CO2 се претставени и одржувани со рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза/оксигеназа (RuBisCo) во карбоксизомите наоколу.Ако може да се зголеми производството на цијанобактериски биокомпозити, ова може да стане важно оружје за човештвото во борбата против климатските промени.
Биокомпозитите (мимики на лишаи) нудат јасни предности во однос на конвенционалните култури на суспензија на микроалги и цијанобактерии, обезбедувајќи повисоки стапки на навлегување на CO2, минимизирање на ризиците од загадување и ветувајќи конкурентно избегнување на CO2.Трошоците значително ја намалуваат употребата на земјиште, вода и хранливи материи56.Оваа студија ја демонстрира изводливоста за развој и производство на биокомпатибилен латекс со високи перформанси, кој, кога ќе се комбинира со сунѓер за луфа како кандидат супстрат, може да обезбеди ефикасно и ефективно навлегување на CO2 во текот на неколкумесечна операција, додека губењето на клетките се одржува на минимум.Биокомпозитите теоретски би можеле да заробат приближно 570 t CO2 t-1 биомаса годишно и може да се покажат како поважни од стратегиите за пошумување BECCS во нашиот одговор на климатските промени.Со понатамошна оптимизација на составот на полимерот, тестирање на повисок интензитет на светлина и во комбинација со детално метаболичко инженерство, оригиналните биогеоинженери на природата повторно можат да дојдат на помош.
Полимерите на акрилен латекс беа подготвени со употреба на мешавина од мономери на стирен, бутил акрилат и акрилна киселина, а pH вредноста беше прилагодена на 7 со 0,1 М натриум хидроксид (табела 2).Стирен и бутил акрилат го сочинуваат најголемиот дел од полимерните синџири, додека акрилната киселина помага да се задржат честичките од латекс во суспензија57.Структурните својства на латексот се одредуваат со температурата на транзиција на стакло (Tg), која се контролира со промена на односот на стирен и бутил акрилат, што обезбедува „тврди“ и „меки“ својства, соодветно58.Типичен акрилен латекс полимер е 50:50 стирен:бутил акрилат 30, така што во оваа студија латексот со овој однос беше означен како „нормален“ латекс, а латексот со поголема содржина на стирен беше означен како латекс со помала содржина на стирен .наречен „мек“ како „тврд“.
Беше подготвена примарна емулзија со користење на дестилирана вода (174 g), натриум бикарбонат (0,5 g) и Rhodapex Ab/20 сурфактант (30,92 g) (Solvay) за да се стабилизираат 30-те мономерни капки.Користејќи стаклен шприц (Science Glass Engineering) со пумпа за шприц, секундарен дел кој содржи стирен, бутил акрилат и акрилна киселина наведени во Табела 2, се додава капка по стапка од 100 ml h-1 на примарната емулзија во текот на 4 часа (Кол -Палмер, Маунт Вернон, Илиноис).Подгответе раствор од иницијаторот за полимеризација 59 користејќи dHO и амониум персулфат (100 ml, 3% w/w).
Промешајте го растворот што содржи dHO (206 g), натриум бикарбонат (1 g) и Rhodapex Ab/20 (4,42 g) со помош на надземна мешалка (Heidolph Hei-TORQUE вредност 100) со пропелер од нерѓосувачки челик и загрејте до 82 °C во Сад со водена обвивка во загреана водена бања VWR Scientific 1137P.Раствор со намалена тежина од мономер (28,21 g) и иницијатор (20,60 g) се додава капка во садот со обвивка и се меша 20 минути.Енергично измешајте го преостанатиот мономер (150 ml h-1) и растворите за иницијатор (27 ml h-1) за да ги задржите честичките во суспензија додека не се додадат во водната обвивка во текот на 5 часа, користејќи шприцеви од 10 ml и 100 ml соодветно во контејнер. .комплетирана со пумпа за шприц.Брзината на мешалката беше зголемена поради зголемувањето на волуменот на кашеста маса за да се обезбеди задржување на кашеста маса.По додавањето на иницијаторот и емулзијата, температурата на реакцијата се зголеми на 85°C, добро се промешува на 450 вртежи во минута 30 минути, а потоа се лади на 65°C.По ладењето, во латексот беа додадени два раствора за поместување: терц-бутил хидропероксид (t-BHP) (70% во вода) (5 g, 14% по тежина) и изоаскорбинска киселина (5 g, 10% по тежина)..Додадете t-BHP капка по капка и оставете 20 минути.Потоа беше додадена ериторбинска киселина со брзина од 4 ml/h од шприц од 10 ml со помош на пумпа за шприц.Растворот од латекс потоа се олади на собна температура и се прилагоди на pH 7 со 0,1 M натриум хидроксид.
2,2,4-Триметил-1,3-пентанедиол моноизобутират (тексанол) – биоразградлив коалесцент со ниска токсичност за латекс бои 37,60 – додаден е со шприц и пумпа во три волумени (0, 4, 12% v/v) како средство за спојување на смесата од латекс за да се олесни формирањето на филмот за време на сушењето37.Процентот на цврсти материи од латекс беше одреден со ставање 100 µl од секој полимер во претходно измерени капачиња од алуминиумска фолија и сушење во рерна на 100°C 24 часа.
За пренос на светлина, секоја смеса од латекс беше нанесена на слајд за микроскоп со помош на коцка за капка од не'рѓосувачки челик калибрирана за производство на филмови од 100 µm и се суши на 20°C 48 часа.Преносот на светлина (фокусиран на фотосинтетички активно зрачење, λ 400-700 nm) беше измерен на спектрорадиометар ILT950 SpectriLight со сензор на растојание од 35 cm од флуоресцентна светилка од 30 W (Sylvania Luxline Plus, n = 6) - каде што светлината изворот биле цијанобактерии и организми Зачувани се композитни материјали.Верзијата 3.5 на софтверот SpectrILight III се користеше за снимање на осветлување и пренос во опсегот λ 400–700 nm61.Сите примероци беа поставени на врвот на сензорот, а необложените стаклени слајдови беа користени како контроли.
Примероците од латекс се додаваат во силиконски сад за печење и се оставаат да се исушат 24 часа пред да се тестираат за цврстина.Ставете го исушениот примерок од латекс на челично капаче под x10 микроскоп.По фокусирањето, примероците беа евалуирани на тестер на микротврдост Buehler Micromet II.Примерокот бил подложен на сила од 100 до 200 грама и времето на оптоварување било поставено на 7 секунди за да се создаде дијамантска вдлабнатина во примерокот.Отпечатокот беше анализиран со помош на микроскопски објект Bruker Alicona × 10 со дополнителен софтвер за мерење форма.Формулата за тврдост на Викер (Равенка 1) беше искористена за пресметување на тврдоста на секој латекс, каде што HV е Викерсовиот број, F е применетата сила и d е просекот на дијагоналите на вовлекување пресметани од висината и ширината на латексот.алинеја вредност.„Мекиот“ латекс не може да се мери поради адхезија и истегнување за време на тестот за вовлекување.
За да се одреди температурата на стаклена транзиција (Tg) на составот на латекс, полимерните примероци беа ставени во садови со силика гел, сушени 24 часа, измерени до 0,005 g и ставени во садови за примероци.Садот беше затворен и ставен во колориметар за диференцијално скенирање (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, софтвер за анализа на податоци Pyris)62.Методот на проток на топлина се користи за поставување на референтни чаши и чаши за примероци во иста рерна со вградена температурна сонда за мерење на температурата.Вкупно две рампи беа искористени за да се создаде конзистентна крива.Методот на примерок беше постојано подигнат од -20°C на 180°C со брзина од 20°C во минута.Секоја почетна и крајна точка се чува 1 минута за да се земе предвид температурното задоцнување.
За да се оцени способноста на биокомпозитот да апсорбира CO2, беа подготвени и тестирани примероци на ист начин како и во нашата претходна студија31.Исушената и автоклавирана крпа за перење беше исечена на ленти од приближно 1×1×5 cm и измерена.Нанесете 600 µl од двете најефективни биообложувања од секој сој на цијанобактерии на едниот крај од секоја лента за луфа, покривајќи приближно 1 × 1 × 3 cm, и исушете се на темно на 20 ° C 24 часа.Поради макропорозната структура на луфата, дел од формулата се потроши, така што ефикасноста на вчитување на ќелијата не беше 100%.За да се надмине овој проблем, тежината на сувиот препарат на луфата беше одредена и нормализирана на референтниот сув препарат.Абиотските контроли кои се состојат од луфа, латекс и стерилен хранлив медиум беа подготвени на сличен начин.
За да се изврши тест за навлегување на CO2 со половина серија, ставете го биокомпозитот (n = 3) во стаклена цевка од 50 ml така што едниот крај на биокомпозитот (без биооблогата) е во контакт со 5 ml медиум за раст, дозволувајќи му на хранливата состојка да да се транспортира со капиларно дејство..Шишето е запечатено со плута од бутил гума со дијаметар од 20 mm и стегано со сребрено алуминиумско капаче.Откако ќе се затвори, инјектирајте 45 ml 5% CO2/воздух со стерилна игла прикачена на гас-непропустлив шприц.Густината на клетките на контролната суспензија (n = 3) беше еквивалентна на клеточното оптоварување на биокомпозитот во хранливата средина.Тестовите беа спроведени на 18 ± 2 °C со фотопериод од 16:8 и фотопериод од 30,5 µmol m-2 s-1.Просторот на главата се отстрануваше на секои два дена со гас-непропустлив шприц и се анализираше со CO2 мерач со инфрацрвена апсорпција GEOTech G100 за да се одреди процентот на апсорбиран CO2.Додадете еднаков волумен на гасна смеса CO2.
% CO2 Fix се пресметува на следниов начин: % CO2 Fix = 5% (v/v) – запишете %CO2 (равенка 2) каде што P = притисок, V = волумен, T = температура и R = идеална гасна константа.
Пријавените стапки на навлегување на CO2 за контролните суспензии на цијанобактерии и биокомпозити беа нормализирани на небиолошки контроли.Функционална единица на g биомаса е количината на сува биомаса имобилизирана на крпата.Се одредува со мерење на примероците на луфата пред и по фиксацијата на клетките.Сметката на масата на оптоварување на клетките (еквивалент на биомаса) со поединечно мерење на препаратите пред и по сушењето и со пресметување на густината на клеточниот препарат (равенка 3).Препаратите на клетките се претпоставува дека се хомогени за време на фиксацијата.
За статистичка анализа беа користени Minitab 18 и Microsoft Excel со додатокот RealStatistics.Нормалноста беше тестирана со помош на тестот Андерсон-Дарлинг, а еднаквоста на варијансите беше тестирана со помош на тестот Левен.Податоците кои ги задоволуваат овие претпоставки беа анализирани со користење на двонасочна анализа на варијанса (ANOVA) со Tukey-ов тест како пост хок анализа.Двонасочните податоци кои не ги исполнуваа претпоставките за нормалност и еднаква варијанса беа анализирани со користење на Shirer-Ray-Hara тестот, а потоа и Mann-Whitney U-тестот за да се утврди значајноста помеѓу третманите.Генерализирани линеарни мешани модели (GLM) беа користени за ненормални податоци со три фактори, каде што податоците беа трансформирани со помош на Џонсоновата трансформација63.Моментните корелации на производите на Пирсон беа изведени за да се оцени врската помеѓу концентрацијата на Тексанол, температурата на транзиција на стаклото и податоците за токсичноста и адхезијата на латекс.
Време на објавување: Јан-05-2023 година