Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Prikaže vrtiljak treh diapozitivov hkrati.Uporabite gumba Prejšnji in Naslednji, da se premikate po treh diapozitivih hkrati, ali pa uporabite gumbe drsnika na koncu, da se premikate skozi tri diapozitive hkrati.
Zajem in shranjevanje ogljika sta bistvena za doseganje ciljev Pariškega sporazuma.Fotosinteza je naravna tehnologija za zajemanje ogljika.Po navdihu lišajev smo razvili 3D fotosintetični biokompozit cianobakterij (tj. posnemajoč lišaj) z uporabo akrilnega lateksnega polimera, nanesenega na gobo iz lufe.Hitrost vnosa CO2 v biokompozit je bila 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 biomase d-1.Stopnja privzema temelji na suhi biomasi na začetku poskusa in vključuje CO2, ki se uporablja za gojenje nove biomase, ter CO2, ki ga vsebujejo spojine za shranjevanje, kot so ogljikovi hidrati.Te stopnje absorpcije so bile 14- do 20-krat višje od nadzornih ukrepov za gnojevko in bi jih bilo mogoče povečati za zajemanje 570 t CO2 t-1 biomase na leto-1, kar ustreza 5,5-8,17 × 106 hektarjev rabe zemljišč, s čimer bi odstranili 8-12 GtCO2 CO2 na leto.Nasprotno pa gozdna bioenergija z zajemanjem in shranjevanjem ogljika znaša 0,4–1,2 × 109 ha.Biokompozit je ostal funkcionalen 12 tednov brez dodatnih hranil ali vode, nato pa je bil poskus prekinjen.Znotraj večplastne tehnološke naravnanosti človeštva za boj proti podnebnim spremembam imajo zasnovani in optimizirani cianobakterijski biokompoziti potencial za trajnostno in razširljivo uporabo za povečanje odstranjevanja CO2 ob hkratnem zmanjševanju izgube vode, hranil in rabe zemlje.
Podnebne spremembe so resnična grožnja svetovni biotski raznovrstnosti, stabilnosti ekosistema in ljudem.Za ublažitev njegovih najhujših učinkov so potrebni usklajeni in obsežni programi razogljičenja, seveda pa je potrebna neka oblika neposrednega odstranjevanja toplogrednih plinov iz ozračja.Kljub pozitivni dekarbonizaciji proizvodnje električne energije2,3 trenutno ni ekonomsko vzdržnih tehnoloških rešitev za zmanjšanje atmosferskega ogljikovega dioksida (CO2)4, čeprav zajemanje dimnih plinov napreduje5.Namesto na razširljive in praktične inženirske rešitve bi se morali ljudje za zajemanje ogljika obrniti na naravoslovne inženirje – fotosintetske organizme (fototrofne organizme).Fotosinteza je naravna tehnologija sekvestracije ogljika, vendar je njena sposobnost, da obrne antropogeno obogatitev ogljika v smiselnih časovnih okvirih, vprašljiva, encimi so neučinkoviti in njena sposobnost uporabe v ustreznih lestvicah je vprašljiva.Potencialna pot za fototrofijo je pogozdovanje, ki seka drevesa za bioenergijo z zajemanjem in shranjevanjem ogljika (BECCS) kot tehnologijo negativnih emisij, ki lahko pomaga zmanjšati neto emisije CO21.Vendar pa bi za doseganje ciljne temperature Pariškega sporazuma 1,5 °C z uporabo BECCS kot glavne metode potrebovali 0,4 do 1,2 × 109 ha, kar ustreza 25–75 % trenutne globalne obdelovalne zemlje6.Poleg tega negotovost, povezana z globalnimi učinki gnojenja s CO2, postavlja pod vprašaj potencialno splošno učinkovitost gozdnih nasadov7.Če želimo doseči temperaturne cilje, določene s Pariškim sporazumom, je treba vsako leto iz ozračja odstraniti 100 sekund GtCO2 toplogrednih plinov (GGR).Ministrstvo Združenega kraljestva za raziskave in inovacije je pred kratkim napovedalo financiranje petih projektov GGR8, vključno z upravljanjem šotišč, izboljšanim vremenskim vplivom kamnin, sajenjem dreves, bioogljem in trajnicami za napajanje procesa BECCS.Stroški odstranjevanja več kot 130 MtCO2 iz ozračja na leto znašajo 10–100 US$/tCO2, 0,2–8,1 MtCO2 na leto za obnovo šotišč, 52–480 US$/tCO2 in 12–27 MtCO2 na leto za preperevanje kamnin. , 0,4-30 USD/leto.tCO2, 3,6 MtCO2/leto, 1 % povečanje gozdne površine, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/leto, biooglje, 140-270 US$/tCO2, 20–70 Mt CO2 na leto za trajne nasade z uporabo BECCS9.
Kombinacija teh pristopov bi lahko potencialno dosegla cilj 130 Mt CO2 na leto, vendar so stroški preperevanja kamnin in BECCS visoki, biooglje pa, čeprav relativno poceni in ni povezano z rabo zemljišč, zahteva surovine za proizvodni proces biooglja.ponuja ta razvoj in število za uvajanje drugih tehnologij GGR.
Namesto da rešitve iščete na kopnem, poiščite vodo, zlasti enocelične fototrofe, kot so mikroalge in cianobakterije10.Alge (vključno s cianobakterijami) zajamejo približno 50 % svetovnega ogljikovega dioksida, čeprav predstavljajo le 1 % svetovne biomase11.Cianobakterije so izvirni naravni biogeoinženirji, ki postavljajo temelje za dihalni metabolizem in razvoj večceličnega življenja s kisikovo fotosintezo12.Zamisel o uporabi cianobakterij za zajemanje ogljika ni nova, vendar inovativne metode fizičnega umeščanja odpirajo nova obzorja za te starodavne organizme.
Odprti ribniki in fotobioreaktorji so privzeta sredstva pri uporabi mikroalg in cianobakterij v industrijske namene.Ti sistemi kulture uporabljajo suspenzijsko kulturo, v kateri celice prosto plavajo v rastnem mediju14;vendar imajo ribniki in fotobioreaktorji številne pomanjkljivosti, kot so slab prenos mase CO2, intenzivna raba zemlje in vode, dovzetnost za biološko obraščanje ter visoki stroški gradnje in delovanja15,16.Biofilmski bioreaktorji, ki ne uporabljajo suspenzijskih kultur, so varčnejši z vidika vode in prostora, vendar so izpostavljeni tveganju poškodb zaradi izsušitve, nagnjeni k odtrganju biofilma (in posledično izgubi aktivne biomase) in so enako nagnjeni k biološkemu obraščanju17.
Potrebni so novi pristopi za povečanje stopnje vnosa CO2 in reševanje težav, ki omejujejo reaktorje za gnojevko in biofilm.Eden takih pristopov so fotosintetični biokompoziti, ki jih navdihujejo lišaji.Lišaji so kompleks gliv in fotobiontov (mikroalg in/ali cianobakterij), ki pokrivajo približno 12 % Zemljinega kopnega18.Glive zagotavljajo fizično podporo, zaščito in sidranje fotobiotičnega substrata, ta pa glivam zagotavlja ogljik (kot presežek fotosintetskih produktov).Predlagani biokompozit je »mimetik lišajev«, v katerem je koncentrirana populacija cianobakterij imobilizirana v obliki tanke bioprevleke na nosilnem substratu.Bioprevleka poleg celic vsebuje polimerno matrico, ki lahko nadomesti glivico.Prednost imajo polimerne emulzije ali "lateksi" na vodni osnovi, ker so biokompatibilni, trpežni, poceni, enostavni za rokovanje in komercialno dostopni19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Na fiksacijo celic z lateksnimi polimeri ima velik vpliv sestava lateksa in proces nastajanja filma.Emulzijska polimerizacija je heterogeni postopek, ki se uporablja za proizvodnjo sintetičnega kavčuka, lepilnih premazov, tesnilnih mas, dodatkov za beton, premazov za papir in tekstil ter barv iz lateksa27.Ima številne prednosti pred drugimi polimerizacijskimi metodami, kot sta visoka hitrost reakcije in učinkovitost pretvorbe monomera ter enostavnost nadzora produkta27,28.Izbira monomerov je odvisna od želenih lastnosti nastalega polimernega filma, pri mešanih monomernih sistemih (tj. kopolimerizacijah) pa je mogoče lastnosti polimera spremeniti z izbiro različnih razmerij monomerov, ki tvorijo nastali polimerni material.Butilakrilat in stiren sta med najpogostejšimi monomeri akrilnega lateksa in se uporabljata tukaj.Poleg tega se koalescirna sredstva (npr. Texanol) pogosto uporabljajo za spodbujanje enakomerne tvorbe filma, kjer lahko spremenijo lastnosti polimernega lateksa, da proizvedejo močno in "kontinuirano" (koalescentno) prevleko.V naši začetni študiji o dokazovanju koncepta je bil 3D biokompozit z visoko površino in visoko poroznostjo izdelan s komercialno barvo iz lateksa, naneseno na gobo iz lufe.Po dolgih in neprekinjenih manipulacijah (osem tednov) je biokompozit pokazal omejeno sposobnost zadrževanja cianobakterij na odru iz lufe, ker je rast celic oslabila strukturno celovitost lateksa.V trenutni študiji smo želeli razviti vrsto akrilnih lateksnih polimerov znane kemije za stalno uporabo v aplikacijah za zajemanje ogljika brez žrtvovanja razgradnje polimera.S tem smo dokazali sposobnost ustvarjanja lišajem podobnih polimernih matričnih elementov, ki zagotavljajo izboljšano biološko učinkovitost in znatno povečano mehansko elastičnost v primerjavi s preverjenimi biokompoziti.Nadaljnja optimizacija bo pospešila privzem biokompozitov za zajemanje ogljika, zlasti v kombinaciji s cianobakterijami, presnovno spremenjenimi za izboljšanje sekvestracije CO2.
Devet lateksov s tremi polimernimi formulacijami (H = »trdo«, N = »normalno«, S = »mehko«) in tremi vrstami teksanola (0, 4, 12 % v/v) je bilo testiranih na toksičnost in korelacijo sevov.Lepilo.iz dveh cianobakterij.Vrsta lateksa je pomembno vplivala na S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Hare test, lateks: DF=2, H=23,157, P=<0,001) in CCAP 1479/1A (dvosmerna ANOVA, lateks: DF=2, F = 103,93, P = <0,001) (slika 1a).Koncentracija teksanola ni bistveno vplivala na rast S. elongatus PCC 7942, le N-lateks je bil nestrupen (slika 1a), 0 N in 4 N pa sta ohranila rast 26 % oziroma 35 % (Mann- Whitney U, 0 N v primerjavi s 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N v primerjavi s kontrolo: W = 25,0, P = 0,061; 4 N v primerjavi s kontrolo: W = 25,0, P = 0,061) in 12 N je ohranila primerljivo rast biološki kontroli (Univerza Mann-Whitney, 12 N proti kontroli: W = 17,0, P = 0,885).Za S. elongatus CCAP 1479/1A sta bila pomembna dejavnika tako zmes lateksa kot koncentracija teksanola, med obema pa so opazili pomembno interakcijo (dvosmerna ANOVA, lateks: DF=2, F=103,93, P=<0,001, teksanol : DF=2, F=5,96, P=0,01, lateks*teksanol: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N in vsi "mehki" lateksi so spodbujali rast (slika 1a).Obstaja težnja po izboljšanju rasti z zmanjšanjem sestave stirena.
Testiranje toksičnosti in adhezije cianobakterij (Synechococcus elongatus PCC 7942 in CCAP 1479/1A) na formulacije iz lateksa, povezava s temperaturo posteklenitve (Tg) in matrika odločanja na podlagi podatkov o toksičnosti in adheziji.(a) Testiranje toksičnosti je bilo izvedeno z uporabo ločenih ploskev odstotne rasti cianobakterij, normaliziranih za kontrolne suspenzijske kulture.Zdravljenja, označena z *, se bistveno razlikujejo od kontrol.(b) Podatki o rasti cianobakterij v primerjavi s Tg lateksom (povprečje ± SD; n = 3).(c) Kumulativno število cianobakterij, sproščenih pri testu adhezije biokompozita.(d) Podatki o adheziji v primerjavi s Tg lateksa (srednja vrednost ± StDev; n = 3).e Odločitvena matrika na podlagi podatkov o toksičnosti in adheziji.Razmerje med stirenom in butilakrilatom je 1:3 za »trdi« (H) lateks, 1:1 za »običajni« (N) in 3:1 za »mehki« (S).Prejšnje številke v kodi lateksa ustrezajo vsebnosti Texanola.
V večini primerov se je viabilnost celic zmanjšala z naraščajočo koncentracijo teksanola, vendar ni bilo pomembne korelacije za nobenega od sevov (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).Na sl.1b prikazuje razmerje med rastjo celic in temperaturo posteklenitve (Tg).Med koncentracijo teksanola in vrednostmi Tg obstaja močna negativna korelacija (H-lateks: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-lateks: DF=7, r=-0,964, P=<0,001 ; S- lateks: DF=7, r=-0,946, P=<0,001).Podatki so pokazali, da je bil optimalni Tg za rast S. elongatus PCC 7942 okoli 17 °C (slika 1b), medtem ko je bil S. elongatus CCAP 1479/1A naklonjen Tg pod 0 °C (slika 1b).Samo S. elongatus CCAP 1479/1A je imel močno negativno korelacijo med Tg in podatki o toksičnosti (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Vsi lateksi so imeli dobro adhezijsko afiniteto in nobeden od njih ni sprostil več kot 1% celic po 72 urah (slika 1c).Med lateksi obeh sevov S. elongatus ni bilo pomembne razlike (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara test, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- žarkovni test).– Hare test, lateks*teksanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).Ko se koncentracija teksanola poveča, se sprosti več celic (slika 1c).v primerjavi s S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (slika 1d).Poleg tega ni bilo statistične povezave med Tg in celično adhezijo obeh sevov (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Za oba seva so bili "trdi" polimeri iz lateksa neučinkoviti.V nasprotju s tem sta se 4N in 12N najbolje obnesla proti S. elongatus PCC 7942, medtem ko sta se 4S in 12S najbolje obnesla proti CCAP 1479/1A (slika 1e), čeprav očitno obstaja prostor za nadaljnjo optimizacijo polimerne matrice.Ti polimeri so bili uporabljeni v polserijskih testih neto absorpcije CO2.
Fotofiziologijo smo spremljali 7 dni z uporabo celic, suspendiranih v vodnem sestavku lateksa.Na splošno se tako navidezna stopnja fotosinteze (PS) kot največji kvantni izkoristek PSII (Fv/Fm) s časom zmanjšujeta, vendar je to zmanjšanje neenakomerno in nekateri nabori podatkov PS kažejo dvofazni odziv, kar kaže na delni odziv, čeprav je okrevanje v realnem času krajšo aktivnost PS (sl. 2a in 3b).Dvofazni odziv Fv/Fm je bil manj izrazit (sliki 2b in 3b).
(a) Navidezna stopnja fotosinteze (PS) in (b) največji kvantni izkoristek PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus PCC 7942 kot odziv na formulacije iz lateksa v primerjavi s kontrolnimi suspenzijskimi kulturami.Razmerje med stirenom in butilakrilatom je 1:3 za »trdi« (H) lateks, 1:1 za »običajni« (N) in 3:1 za »mehki« (S).Prejšnje številke v kodi lateksa ustrezajo vsebnosti Texanola.(srednja vrednost ± standardni odklon; n = 3).
(a) Navidezna stopnja fotosinteze (PS) in (b) največji kvantni izkoristek PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A kot odziv na formulacije iz lateksa v primerjavi s kontrolnimi suspenzijskimi kulturami.Razmerje med stirenom in butilakrilatom je 1:3 za »trdi« (H) lateks, 1:1 za »običajni« (N) in 3:1 za »mehki« (S).Prejšnje številke v kodi lateksa ustrezajo vsebnosti Texanola.(srednja vrednost ± standardni odklon; n = 3).
Za S. elongatus PCC 7942 sestava lateksa in koncentracija teksanola sčasoma nista vplivali na PS (GLM, lateks*teksanol*čas, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), čeprav je bila sestava pomemben dejavnik (GLM)., lateks*čas, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (slika 2a).Ni bilo pomembnega učinka koncentracije teksanola v času (GLM, teksanol*čas, DF=14, F=1,63, P=0,078).Prišlo je do pomembne interakcije, ki je vplivala na Fv/Fm (GLM, lateks*teksanol*čas, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Interakcija med formulacijo lateksa in koncentracijo teksanola je pomembno vplivala na Fv/Fm (GLM, lateks*teksanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Vsak parameter vpliva tudi na Fv/Fm skozi čas (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 in Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=<0,001).Lateks 12H je ohranil najnižje povprečne vrednosti PS in Fv/Fm (slika 2b), kar kaže, da je ta polimer bolj toksičen.
PS S. elongatus CCAP 1479/1A je bil bistveno drugačen (GLM, lateks * teksanol * čas, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), s sestavo lateksa namesto koncentracije teksanola (GLM, lateks * čas, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Teksanol*čas, DF=14, F=1,26, P=0,239)."Mehka" polimera 0S in 4S sta ohranila nekoliko višje ravni učinkovitosti PS kot kontrolne suspenzije (Mann-Whitney U, 0S v primerjavi s kontrolami, W = 686,0, P = 0,044, 4S v primerjavi s kontrolami, W = 713, P = 0,01) in ohranila izboljšan Fv./Fm (slika 3a) prikazuje učinkovitejši transport v Photosystem II.Za vrednosti Fv/Fm celic CCAP 1479/1A je prišlo do pomembne razlike v lateksu skozi čas (GLM, lateks*teksanol*čas, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (slika 3b).).
Na sl.Slika 4 prikazuje povprečni PS in Fv/Fm v 7-dnevnem obdobju kot funkcijo celične rasti za vsak sev.S. elongatus PCC 7942 ni imel jasnega vzorca (sl. 4a in b), vendar je CCAP 1479/1A pokazal parabolično razmerje med vrednostmi PS (sl. 4c) in Fv/Fm (sl. 4d) kot razmerja stirena in butilakrilata rastejo s spremembo.
Povezava med rastjo in fotofiziologijo Synechococcus longum na pripravkih iz lateksa.(a) Podatki o toksičnosti, prikazani glede na navidezno hitrost fotosinteze (PS), (b) največji kvantni izkoristek PSII (Fv/Fm) PCC 7942. c Podatki o toksičnosti, prikazani glede na PS in d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Razmerje med stirenom in butilakrilatom je 1:3 za »trdi« (H) lateks, 1:1 za »običajni« (N) in 3:1 za »mehki« (S).Prejšnje številke v kodi lateksa ustrezajo vsebnosti Texanola.(srednja vrednost ± standardni odklon; n = 3).
Biokompozit PCC 7942 je imel omejen učinek na zadrževanje celic s pomembnim izpiranjem celic v prvih štirih tednih (slika 5).Po začetni fazi privzema CO2 so celice, fiksirane z 12 N lateksom, začele sproščati CO2 in ta vzorec je trajal med 4. in 14. dnevom (slika 5b).Ti podatki so skladni z opazovanji razbarvanja pigmenta.Neto privzem CO2 se je znova začel od 18. dne. Kljub sproščanju celic (slika 5a) je biokompozit PCC 7942 12 N še vedno kopičil več CO2 kot kontrolna suspenzija v 28 dneh, čeprav malo (Mann-Whitneyjev U-test, W = 2275,5; P = 0,066).Stopnja absorpcije CO2 z lateksom 12 N in 4 N je 0,51 ± 0,34 in 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 biomase d-1.Obstajala je statistično pomembna razlika med zdravljenjem in časovnimi ravnmi (Chairer-Ray-Hare test, zdravljenje: DF=2, H=70,62, P=<0,001 časa: DF=13, H=23,63, P=0,034), vendar ni bilo.obstajala je pomembna povezava med zdravljenjem in časom (test Chairer-Ray-Har, čas*zdravljenje: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Polovični testi prevzema CO2 na biokompozitih Synechococcus elongatus PCC 7942 z uporabo 4N in 12N lateksa.(a) Slike prikazujejo sproščanje celic in razbarvanje pigmenta, kot tudi SEM slike biokompozita pred in po testiranju.Bele pikčaste črte označujejo mesta odlaganja celic na biokompozitu.(b) Kumulativni neto vnos CO2 v obdobju štirih tednov.»Normalni« (N) lateks ima razmerje med stirenom in butilakrilatom 1:1.Prejšnje številke v kodi lateksa ustrezajo vsebnosti Texanola.(srednja vrednost ± standardni odklon; n = 3).
Zadrževanje celic se je znatno izboljšalo za sev CCAP 1479/1A s 4S in 12S, čeprav je pigment sčasoma počasi spreminjal barvo (slika 6a).Biokompozit CCAP 1479/1A absorbira CO2 celih 84 dni (12 tednov) brez dodatnih prehranskih dodatkov.Analiza SEM (sl. 6a) je potrdila vizualno opazovanje odmika majhnih celic.Na začetku so bile celice obdane s prevleko iz lateksa, ki je ohranila svojo celovitost kljub rasti celic.Stopnja privzema CO2 je bila znatno višja kot pri kontrolni skupini (test Scheirer-Ray-Har, zdravljenje: DF=2; H=240,59; P=<0,001, čas: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Slika 6b).Biokompozit 12S je dosegel največji vnos CO2 (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 biomase na dan), 4S lateks pa 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 biomase na dan, vendar se nista bistveno razlikovala (Mann-Whitney U test, W = 1507,50; P = 0,07) in ni pomembne interakcije med zdravljenjem in časom (preizkus Shirer-Rey-Hara, čas * zdravljenje: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Testiranje privzema CO2 s polovico serije z uporabo biokompozitov Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A s 4N in 12N lateksom.(a) Slike prikazujejo sproščanje celic in razbarvanje pigmenta, kot tudi SEM slike biokompozita pred in po testiranju.Bele pikčaste črte označujejo mesta odlaganja celic na biokompozitu.(b) Kumulativni neto vnos CO2 v obdobju dvanajstih tednov."Mehki" (S) lateks ima razmerje med stirenom in butilakrilatom 1:1.Prejšnje številke v kodi lateksa ustrezajo vsebnosti Texanola.(srednja vrednost ± standardni odklon; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (preizkus Shirer-Ray-Har, čas*obdelava: DF=4, H=3,243, P=0,518) ali biokompozit S. elongatus CCAP 1479/1A (dve ANOVA, čas*obdelava: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (slika S4).Biokompozit PCC 7942 je imel najvišjo vsebnost ogljikovih hidratov v 2. tednu (4 N = 59,4 ± 22,5 mas. %, 12 N = 67,9 ± 3,3 mas. %), medtem ko je imela kontrolna suspenzija najvišjo vsebnost ogljikovih hidratov v 4. tednu, ko (kontrola = 59,6 ± 2,84 % w/w).Skupna vsebnost ogljikovih hidratov v biokompozitu CCAP 1479/1A je bila primerljiva s kontrolno suspenzijo, razen na začetku preskušanja, z nekaj spremembami v 12S lateksu v 4. tednu. Najvišje vrednosti za biokompozit so bile 51,9 ± 9,6 mas. % za 4S in 77,1 ± 17,0 mas. % za 12S.
Zadali smo si prikazati možnosti oblikovanja za izboljšanje strukturne celovitosti tankoslojnih polimernih premazov iz lateksa kot pomembne sestavine koncepta biokompozitov, ki posnemajo lišaje, ne da bi pri tem žrtvovali biokompatibilnost ali učinkovitost.Dejansko, če so strukturni izzivi, povezani z rastjo celic, premagani, pričakujemo znatne izboljšave delovanja v primerjavi z našimi eksperimentalnimi biokompoziti, ki so že primerljivi z drugimi sistemi za zajemanje ogljika cianobakterij in mikroalg.
Premazi morajo biti nestrupeni, trpežni, podpirati dolgotrajno oprijem celic in morajo biti porozni, da spodbujajo učinkovit prenos mase CO2 in odplinjevanje O2.Akrilne polimere tipa lateksa je enostavno pripraviti in se pogosto uporabljajo v industriji barv, tekstila in lepil30.Kombinirali smo cianobakterije z akrilno polimerno emulzijo iz lateksa na vodni osnovi, polimerizirano s specifičnim razmerjem delcev stiren/butil akrilata in različnimi koncentracijami Texanola.Stiren in butilakrilat sta bila izbrana, da lahko nadzorujeta fizikalne lastnosti, zlasti elastičnost in učinkovitost koalescence prevleke (ki sta ključnega pomena za močan in visoko lepljiv premaz), kar omogoča sintezo "trdih" in "mehkih" agregatov delcev.Podatki o toksičnosti kažejo, da "trdi" lateks z visoko vsebnostjo stirena ne prispeva k preživetju cianobakterij.Za razliko od butilakrilata se stiren šteje za strupenega za alge32,33.Sevi cianobakterij so na lateks reagirali precej različno in optimalna temperatura posteklenitve (Tg) je bila določena za S. elongatus PCC 7942, medtem ko je S. elongatus CCAP 1479/1A pokazala negativno linearno razmerje s Tg.
Temperatura sušenja vpliva na zmožnost oblikovanja neprekinjenega enakomernega filma iz lateksa.Če je temperatura sušenja pod minimalno temperaturo oblikovanja filma (MFFT), se delci polimernega lateksa ne bodo popolnoma združili, kar bo povzročilo oprijem samo na meji delcev.Nastali filmi imajo slabo oprijemljivost in mehansko trdnost ter so lahko celo v obliki prahu29.MFFT je tesno povezan s Tg, ki ga je mogoče nadzorovati s sestavo monomera in dodajanjem koalescentov, kot je Texanol.Tg določa številne fizikalne lastnosti nastalega premaza, ki je lahko v gumijastem ali steklastem stanju34.Po Flory-Foxovi enačbi35 je Tg odvisen od vrste monomera in relativne odstotne sestave.Dodatek koalescenta lahko zniža MFFT z občasnim zaviranjem Tg delcev lateksa, kar omogoča tvorbo filma pri nižjih temperaturah, vendar še vedno tvori trd in močan premaz, ker koalescent sčasoma počasi izhlapi ali je bil ekstrahiran 36 .
Povečanje koncentracije Texanola spodbuja tvorbo filma z mehčanjem polimernih delcev (zmanjšanje Tg) zaradi absorpcije s strani delcev med sušenjem, s čimer se poveča trdnost kohezivnega filma in celične adhezije.Ker se biokompozit suši pri sobni temperaturi (~18–20 °C), je Tg (30 do 55 °C) »trdega« lateksa višji od temperature sušenja, kar pomeni, da koalescenca delcev morda ni optimalna, kar povzroči B filmi, ki ostanejo steklasti, slabe mehanske in adhezivne lastnosti, omejena elastičnost in difuzivnost30 na koncu povzročijo večjo izgubo celic.Tvorba filma iz "normalnih" in "mehkih" polimerov poteka pri ali pod Tg polimernega filma, tvorba filma pa se izboljša z izboljšano koalescenco, kar ima za posledico neprekinjene polimerne filme z izboljšanimi mehanskimi, kohezivnimi in adhezivnimi lastnostmi.Nastali film bo med poskusi zajemanja CO2 ostal gumijast, ker je njegov Tg blizu (»normalna« mešanica: 12 do 20 ºC) ali precej nižja (»mehka« mešanica: -21 do -13 °C) temperaturi okolja 30 .»Trdi« lateks (3,4 do 2,9 kgf mm–1) je trikrat trši od »normalnega« lateksa (1,0 do 0,9 kgf mm–1).Trdote »mehkih« lateksov ni mogoče meriti z mikrotrdoto zaradi njihove prevelike gumijastosti in lepljivosti pri sobni temperaturi.Površinski naboj lahko vpliva tudi na afiniteto adhezije, vendar je potrebnih več podatkov za zagotovitev pomembnih informacij.Vendar pa so vsi lateksi učinkovito zadrževali celice, saj so sprostili manj kot 1 %.
Produktivnost fotosinteze se sčasoma zmanjšuje.Izpostavljenost polistirenu povzroči prekinitev membrane in oksidativni stres38,39,40,41.Vrednosti Fv/Fm S. elongatus CCAP 1479/1A, izpostavljene 0S in 4S, so bile skoraj dvakrat višje v primerjavi s kontrolo suspenzije, kar se dobro ujema s stopnjo privzema CO2 biokompozita 4S, pa tudi s nižje srednje vrednosti PS.vrednote.Višje vrednosti Fv/Fm kažejo, da lahko transport elektronov do PSII odda več fotonov42, kar lahko povzroči višje stopnje fiksacije CO2.Vendar je treba opozoriti, da so bili fotofiziološki podatki pridobljeni iz celic, suspendiranih v vodnih raztopinah lateksa, in morda niso nujno neposredno primerljivi z zrelimi biokompoziti.
Če lateks ustvari oviro za svetlobo in/ali izmenjavo plinov, kar ima za posledico omejitev svetlobe in CO2, lahko povzroči celični stres in zmanjša učinkovitost, in če vpliva na sproščanje O2, fotorespiracijo39.Ocenjena je bila prepustnost svetlobe strjenih premazov: »trdi« lateks je pokazal rahlo zmanjšanje prepustnosti svetlobe med 440 in 480 nm (izboljšano delno s povečanjem koncentracije teksanola zaradi izboljšane koalescence filma), medtem ko je »mehki« in »običajni« ” je lateks pokazal rahlo zmanjšanje prepustnosti svetlobe.ne kaže opazne izgube izgube.Testi in vse inkubacije so bili izvedeni pri nizki intenzivnosti svetlobe (30,5 µmol m-2 s-1), tako da bo kakršno koli fotosintetsko aktivno sevanje zaradi polimernega matriksa kompenzirano in je lahko celo koristno pri preprečevanju fotoinhibicije.pri škodljivih jakostih svetlobe.
Biokompozit CCAP 1479/1A je deloval v 84 dneh testiranja, brez menjave hranil ali pomembne izgube biomase, kar je ključni cilj študije.Depigmentacija celic je lahko povezana s procesom kloroze kot odzivom na pomanjkanje dušika, da se doseže dolgoročno preživetje (stanje mirovanja), kar lahko pomaga celicam, da nadaljujejo z rastjo, potem ko je doseženo zadostno kopičenje dušika.Slike SEM so potrdile, da so celice ostale v prevleki kljub celični delitvi, kar je pokazalo elastičnost "mehkega" lateksa in tako pokazalo jasno prednost pred eksperimentalno različico.»Mehki« lateks vsebuje približno 70 % butilakrilata (po teži), kar je veliko več od navedene koncentracije za fleksibilen premaz po sušenju44.
Neto privzem CO2 je bil bistveno višji kot pri kontrolni suspenziji (14–20 oziroma 3–8-krat večji za S. elongatus CCAP 1479/1A oziroma PCC 7942).Prej smo uporabili model prenosa mase CO2, da bi pokazali, da je glavni dejavnik visokega vnosa CO2 oster gradient koncentracije CO2 na površini biokompozita31 in da je učinkovitost biokompozita lahko omejena z odpornostjo na prenos mase.To težavo je mogoče rešiti z vključitvijo nestrupenih sestavin, ki ne tvorijo filma, v lateks, da se poveča poroznost in prepustnost prevleke26, vendar je lahko ogroženo zadrževanje celic, saj bo ta strategija neizogibno povzročila šibkejši film20.Kemično sestavo je mogoče spremeniti med polimerizacijo, da se poveča poroznost, kar je najboljša možnost, zlasti v smislu industrijske proizvodnje in skalabilnosti45.
Učinkovitost novega biokompozita v primerjavi z nedavnimi študijami z uporabo biokompozitov iz mikroalg in cianobakterij je pokazala prednosti pri prilagajanju stopnje obremenitve celic (tabela 1)21,46 in pri daljših časih analize (84 dni v primerjavi s 15 urami46 in 3 tedni21).
Volumetrična vsebnost ogljikovih hidratov v celicah je primerljiva z drugimi študijami 47, 48, 49, 50, ki uporabljajo cianobakterije, in se uporablja kot možno merilo za aplikacije za zajemanje in uporabo/rekuperacijo ogljika, na primer za fermentacijske procese BECCS 49, 51 ali za proizvodnjo biorazgradljivih bioplastika52.Kot del utemeljitve te študije domnevamo, da pogozdovanje, tudi upoštevano v konceptu negativnih emisij BECCS, ni zdravilo za podnebne spremembe in porabi zaskrbljujoč delež svetovne obdelovalne zemlje6.Kot miselni poskus je bilo ocenjeno, da bi bilo treba do leta 2100 iz ozračja odstraniti med 640 in 950 GtCO2, da bi omejili dvig globalne temperature na 1,5 °C53 (približno 8 do 12 GtCO2 na leto).Da bi to dosegli z boljšim biokompozitom (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 biomase na leto-1), bi bilo potrebno povečanje prostornine s 5,5 × 1010 na 8,2 × 1010 m3 (s primerljivo fotosintetsko učinkovitostjo), ki bi vsebovalo od 196 do 2,92 milijarde litrov polimer.Ob predpostavki, da 1 m3 biokompozitov zavzema 1 m2 površine, bo površina, potrebna za absorpcijo ciljnega letnega skupnega CO2, med 5,5 in 8,17 milijona hektarjev, kar je enako 0,18–0,27 % zemljišč, primernih za življenje v tropih in zmanjšati površino kopnega.potreba po BECCS za 98-99 %.Upoštevati je treba, da teoretično razmerje zajemanja temelji na absorpciji CO2, zabeleženi pri šibki svetlobi.Takoj, ko je biokompozit izpostavljen intenzivnejši naravni svetlobi, se stopnja vnosa CO2 poveča, kar še dodatno zmanjša potrebo po zemljišču in še bolj nagne tehtnico k konceptu biokompozita.Vendar mora biti izvedba na ekvatorju za konstantno intenzivnost in trajanje osvetlitve ozadja.
Globalni učinek gnojenja s CO2, tj. povečanje produktivnosti vegetacije zaradi povečane razpoložljivosti CO2, se je zmanjšal na večini površin, verjetno zaradi sprememb ključnih hranil v tleh (N in P) in vodnih virov7.To pomeni, da kopenska fotosinteza morda ne bo povzročila povečanja vnosa CO2 kljub povišanim koncentracijam CO2 v zraku.V tem kontekstu je še manj verjetno, da bodo uspešne zemeljske strategije za ublažitev podnebnih sprememb, kot je BECCS.Če bo ta globalni pojav potrjen, bi lahko bil naš biokompozit, ki ga navdihuje lišaj, ključna prednost, saj bi enocelične vodne fotosintetske mikrobe spremenil v »zemeljske dejavnike«.Večina kopenskih rastlin veže CO2 s fotosintezo C3, medtem ko so rastline C4 bolj naklonjene toplejšim in bolj suhim habitatom in so učinkovitejše pri višjih delnih tlakih CO254.Cianobakterije ponujajo alternativo, ki bi lahko izravnala zaskrbljujoče napovedi zmanjšane izpostavljenosti ogljikovemu dioksidu v rastlinah C3.Cianobakterije so premagale fotorespiratorne omejitve z razvojem učinkovitega mehanizma obogatitve z ogljikom, v katerem so višji parcialni tlaki CO2 predstavljeni in vzdrževani z ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilazo/oksigenazo (RuBisCo) znotraj karboksisomov okoli.Če bo mogoče povečati proizvodnjo cianobakterijskih biokompozitov, bo to lahko postalo pomembno orožje človeštva v boju proti podnebnim spremembam.
Biokompoziti (posnemalci lišajev) ponujajo jasne prednosti pred običajnimi suspenzijskimi kulturami mikroalg in cianobakterij, saj zagotavljajo višje stopnje vnosa CO2, zmanjšujejo tveganja onesnaženja in obetajo konkurenčno izogibanje CO2.Stroški znatno zmanjšajo uporabo zemlje, vode in hranil56.Ta študija dokazuje izvedljivost razvoja in izdelave visoko zmogljivega biokompatibilnega lateksa, ki lahko v kombinaciji z lufa gobico kot kandidatnim substratom zagotovi učinkovit in uspešen vnos CO2 v mesecih operacije, hkrati pa ohranja izgubo celic na minimumu.Biokompoziti bi lahko teoretično zajeli približno 570 t CO2 t-1 biomase na leto in se lahko izkažejo za pomembnejše od strategij pogozdovanja BECCS pri našem odzivu na podnebne spremembe.Z nadaljnjo optimizacijo polimerne sestave, testiranjem pri višjih jakostih svetlobe in v kombinaciji z dovršenim presnovnim inženiringom lahko na pomoč znova priskočijo izvirni naravni biogeoinženirji.
Polimere akrilnega lateksa smo pripravili z uporabo mešanice monomerov stirena, butilakrilata in akrilne kisline, pH pa smo naravnali na 7 z 0,1 M natrijevim hidroksidom (tabela 2).Stiren in butilakrilat sestavljata večino polimernih verig, medtem ko akrilna kislina pomaga ohranjati delce lateksa v suspenziji57.Strukturne lastnosti lateksa so določene s temperaturo posteklenitve (Tg), ki je nadzorovana s spreminjanjem razmerja stirena in butilakrilata, ki zagotavlja »trde« oziroma »mehke« lastnosti58.Tipičen polimer akrilnega lateksa je 50:50 stiren:butil akrilat 30, zato je bil v tej študiji lateks s tem razmerjem označen kot "normalni" lateks, lateks z višjo vsebnostjo stirena pa kot lateks z nižjo vsebnostjo stirena .imenovano "mehko" kot "trdo".
Primarno emulzijo smo pripravili z uporabo destilirane vode (174 g), natrijevega bikarbonata (0,5 g) in površinsko aktivne snovi Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) za stabilizacijo 30 kapljic monomera.S stekleno brizgo (Science Glass Engineering) s črpalko za brizgo smo primarni emulziji v 4 urah dodajali sekundarni alikvot, ki je vseboval stiren, butilakrilat in akrilno kislino, navedeno v tabeli 2, s hitrostjo 100 ml h-1 (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Pripravite raztopino iniciatorja polimerizacije 59 z uporabo dHO in amonijevega persulfata (100 ml, 3 % m/m).
Raztopino, ki vsebuje dHO (206 g), natrijev bikarbonat (1 g) in Rhodapex Ab/20 (4,42 g), mešajte z zgornjim mešalnikom (vrednost Heidolph Hei-TORQUE 100) s propelerjem iz nerjavečega jekla in segrejte na 82 °C v posoda z vodnim plaščem v ogrevani vodni kopeli VWR Scientific 1137P.Zmanjšano maso raztopine monomera (28,21 g) in iniciatorja (20,60 g) dodamo po kapljicah v posodo z plaščem in mešamo 20 minut.Močno premešajte preostale raztopine monomera (150 ml h-1) in iniciatorja (27 ml h-1), da ohranite delce v suspenziji, dokler jih v 5 urah ne dodate v vodni plašč z uporabo 10 ml brizg oziroma 100 ml v posodi. .dopolnjeno s črpalko na brizgo.Hitrost mešala je bila povečana zaradi povečanja prostornine gnojevke, da se zagotovi zadrževanje gnojevke.Po dodajanju iniciatorja in emulzije smo reakcijsko temperaturo dvignili na 85 °C, dobro mešali pri 450 obratih na minuto 30 minut, nato pa ohladili na 65 °C.Po ohlajanju smo lateksu dodali dve izpodrinjeni raztopini: terc-butil hidroperoksid (t-BHP) (70 % v vodi) (5 g, 14 mas. %) in izoaskorbinsko kislino (5 g, 10 mas. %)..Dodajte t-BHP po kapljicah in pustite 20 minut.Nato smo dodali eritorbinsko kislino s hitrostjo 4 ml/h iz 10 ml brizge z uporabo črpalke za brizgo.Raztopino lateksa smo nato ohladili na sobno temperaturo in naravnali pH na 7 z 0,1 M natrijevim hidroksidom.
2,2,4-Trimetil-1,3-pentandiol monoizobutirat (Texanol) – nizko toksični biorazgradljivi koalescent za barve iz lateksa 37,60 – smo dodali z brizgo in črpalko v treh volumnih (0, 4, 12 % v/v) kot koalescentno sredstvo za mešanico lateksa za olajšanje tvorbe filma med sušenjem37.Odstotek trdnih delcev lateksa smo določili tako, da smo 100 µl vsakega polimera dali v predhodno stehtane pokrovčke iz aluminijaste folije in sušili v pečici pri 100 °C 24 ur.
Za prepustnost svetlobe je bila vsaka mešanica lateksa nanesena na mikroskopsko stekelce z uporabo kocke iz nerjavečega jekla, umerjene za izdelavo 100 µm filmov, in sušene pri 20 °C 48 ur.Prepustnost svetlobe (osredotočena na fotosintetsko aktivno sevanje, λ 400–700 nm) smo merili na spektroradiometru ILT950 SpectriLight s senzorjem na razdalji 35 cm od 30 W fluorescenčne sijalke (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – kjer je svetloba vir so bile cianobakterije in organizmi Kompozitni materiali so ohranjeni.Za snemanje osvetlitve in prenosa v območju λ 400–700 nm61 je bila uporabljena programska oprema SpectrILight III različice 3.5.Vsi vzorci so bili postavljeni na vrh senzorja, steklena stekelca brez premaza pa so bila uporabljena kot kontrole.
Vzorce lateksa smo dodali v silikonski pekač in jih pustili sušiti 24 ur, preden smo jih testirali na trdoto.Posušen vzorec lateksa postavite na jekleno kapico pod mikroskopom x10.Po fokusiranju smo vzorce ovrednotili na merilniku mikrotrdote Buehler Micromet II.Vzorec je bil izpostavljen sili od 100 do 200 gramov in čas obremenitve je bil nastavljen na 7 sekund, da se je v vzorcu ustvarila diamantna udrtina.Odtis je bil analiziran z mikroskopskim objektivom Bruker Alicona × 10 z dodatno programsko opremo za merjenje oblike.Za izračun trdote vsakega lateksa je bila uporabljena formula za trdoto po Vickersu (enačba 1), kjer je HV Vickersovo število, F uporabljena sila in d povprečje diagonal vdolbine, izračunano iz višine in širine lateksa.vrednost zamika."Mehkega" lateksa ni mogoče izmeriti zaradi adhezije in raztezanja med preskusom vdolbine.
Za določitev temperature posteklenitve (Tg) sestave lateksa smo vzorce polimerov dali v posode s silikagelom, jih sušili 24 ur, stehtali na 0,005 g in dali v posode za vzorce.Posoda je bila zaprta in postavljena v diferencialni skenirni kolorimeter (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, programska oprema za analizo podatkov Pyris)62.Metoda toplotnega toka se uporablja za postavitev referenčnih skodelic in skodelic za vzorce v isto pečico z vgrajeno temperaturno sondo za merjenje temperature.Za ustvarjanje skladne krivulje sta bili uporabljeni skupno dve klančini.Metoda vzorca je bila večkrat dvignjena od -20 °C do 180 °C s hitrostjo 20 °C na minuto.Vsaka začetna in končna točka se shranita za 1 minuto, da se upošteva temperaturni zamik.
Za ovrednotenje sposobnosti biokompozita za absorpcijo CO2 smo vzorce pripravili in testirali na enak način kot v naši prejšnji študiji31.Posušeno in avtoklavirano krpo smo razrezali na trakove velikosti približno 1×1×5 cm in stehtali.Nanesite 600 µl dveh najučinkovitejših bioprevlek vsakega seva cianobakterij na en konec vsakega traku lufe, ki pokriva približno 1 × 1 × 3 cm, in sušite v temi pri 20 °C 24 ur.Zaradi makroporozne strukture lufe je bilo nekaj formule izgubljeno, zato učinkovitost nalaganja celic ni bila 100-odstotna.Da bi odpravili to težavo, je bila določena teža suhega pripravka na lufi in normalizirana na referenčni suhi pripravek.Abiotske kontrole, sestavljene iz lufe, lateksa in sterilnega hranilnega medija, so bile pripravljene na podoben način.
Za izvedbo preskusa privzema CO2 v polovici serije postavite biokompozit (n = 3) v 50 ml stekleno cev tako, da je en konec biokompozita (brez bioprevleke) v stiku s 5 ml rastnega medija, kar omogoča hranilu, da transportirati s kapilarnim delovanjem..Steklenička je zaprta z zamaškom iz butilne gume s premerom 20 mm in obrobljena s srebrno aluminijastim pokrovčkom.Ko je zapečatena, vbrizgajte 45 ml 5 % CO2/zrak s sterilno iglo, pritrjeno na brizgo, neprepustno za plin.Gostota celic kontrolne suspenzije (n = 3) je bila enakovredna celični obremenitvi biokompozita v hranilnem mediju.Preizkusi so bili izvedeni pri 18 ± 2 °C s fotoperiodo 16:8 in fotoperiodo 30,5 µmol m-2 s-1.Prostor za glavo je bil odstranjen vsaka dva dni z brizgo, neprepustno za plin, in analiziran z merilnikom CO2 z infrardečo absorpcijo GEOTech G100, da se določi odstotek absorbiranega CO2.Dodajte enako količino plinske mešanice CO2.
% CO2 Fix se izračuna na naslednji način: % CO2 Fix = 5 % (v/v) – zapišite % CO2 (enačba 2), kjer je P = tlak, V = prostornina, T = temperatura in R = idealna plinska konstanta.
Sporočene stopnje vnosa CO2 za kontrolne suspenzije cianobakterij in biokompozitov so bile normalizirane na nebiološke kontrole.Funkcionalna enota g biomase je količina suhe biomase, imobilizirane na krpi.Določi se s tehtanjem vzorcev lufe pred in po fiksaciji celic.Upoštevanje mase celične obremenitve (ekvivalent biomase) z individualnim tehtanjem pripravkov pred in po sušenju ter z izračunom gostote celičnega pripravka (enačba 3).Predpostavlja se, da so celični pripravki med fiksacijo homogeni.
Za statistično analizo smo uporabili Minitab 18 in Microsoft Excel z dodatkom RealStatistics.Normalnost je bila testirana z Anderson-Darlingovim testom, enakost varianc pa s testom Levene.Podatki, ki izpolnjujejo te predpostavke, so bili analizirani z uporabo dvosmerne analize variance (ANOVA) s Tukeyjevim testom kot post hoc analizo.Dvosmerni podatki, ki niso izpolnjevali predpostavk normalnosti in enake variance, so bili analizirani s testom Shirer-Ray-Hara in nato z U-testom Mann-Whitney, da bi določili pomembnost med zdravljenji.Generalizirani linearni mešani (GLM) modeli so bili uporabljeni za neobičajne podatke s tremi faktorji, kjer so bili podatki transformirani z Johnsonovo transformacijo63.Momentne korelacije Pearsonovih izdelkov so bile izvedene za ovrednotenje razmerja med koncentracijo teksanola, temperaturo posteklenitve ter podatki o toksičnosti lateksa in adheziji.
Čas objave: Jan-05-2023