Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Відображає карусель із трьох слайдів одночасно.Використовуйте кнопки «Попередній» і «Наступний», щоб переходити по трьох слайдах одночасно, або використовуйте кнопки повзунка в кінці, щоб переходити по трьох слайдах одночасно.
Уловлювання та зберігання вуглецю має важливе значення для досягнення цілей Паризької угоди.Фотосинтез — природна технологія захоплення вуглецю.Надихаючись лишайниками, ми розробили тривимірний фотосинтетичний біокомпозит ціанобактерій (тобто імітуючий лишайник) за допомогою акрилового латексного полімеру, нанесеного на губку з люфи.Швидкість поглинання CO2 біокомпозитом становила 1,57 ± 0,08 г CO2 г-1 біомаси d-1.Швидкість поглинання базується на сухій біомасі на початку експерименту та включає CO2, який використовується для вирощування нової біомаси, а також CO2, що міститься в складових сполуках, таких як вуглеводи.Ці показники поглинання були в 14-20 разів вищими, ніж заходи контролю гною, і потенційно могли бути збільшені до уловлювання 570 т CO2 т-1 біомаси на рік-1, що еквівалентно 5,5-8,17 × 106 га землекористування, видаляючи 8-12 ГтCO2 CO2 на рік.Навпаки, лісова біоенергетика з уловлюванням і зберіганням вуглецю становить 0,4–1,2 × 109 га.Біокомпозит залишався функціональним протягом 12 тижнів без додаткових поживних речовин або води, після чого експеримент було припинено.У рамках багатосторонньої технологічної позиції людства щодо боротьби зі зміною клімату розроблені та оптимізовані ціанобактеріальні біокомпозити мають потенціал для стійкого та масштабованого розгортання для збільшення видалення CO2, одночасно зменшуючи втрати води, поживних речовин і землекористування.
Зміна клімату є реальною загрозою для глобального біорізноманіття, стабільності екосистеми та людей.Щоб пом’якшити його найгірші наслідки, необхідні скоординовані та широкомасштабні програми зневуглецювання, і, звичайно, потрібна певна форма прямого видалення парникових газів з атмосфери.Незважаючи на позитивну декарбонізацію виробництва електроенергії2,3, наразі немає економічно стійких технологічних рішень для зменшення викидів вуглекислого газу (CO2)4 в атмосфері, хоча уловлювання димових газів прогресує5.Замість масштабованих і практичних інженерних рішень, люди повинні звернутися до природних інженерів для захоплення вуглецю – фотосинтезуючих організмів (фототрофних організмів).Фотосинтез — це природна технологія поглинання вуглецю, але його здатність повернути назад антропогенне збагачення вуглецю в значних часових масштабах сумнівна, ферменти неефективні, а його здатність розгортатися у відповідних масштабах сумнівна.Потенційним шляхом для фототрофії є лісонасадження, яке вирубує дерева для отримання біоенергетики з уловлюванням і зберіганням вуглецю (BECCS) як технологія негативних викидів, яка може допомогти зменшити чисті викиди CO21.Однак для досягнення цілі Паризької угоди про температуру 1,5°C з використанням BECCS як основного методу знадобиться від 0,4 до 1,2 × 109 га, що еквівалентно 25–75% нинішніх глобальних орних земель6.Крім того, невизначеність, пов’язана з глобальними наслідками внесення добрив CO2, ставить під сумнів потенційну загальну ефективність лісових насаджень7.Якщо ми хочемо досягти температурних цілей, встановлених Паризькою угодою, 100 секунд GtCO2 парникових газів (GGR) повинні видалятися з атмосфери щороку.Департамент досліджень та інновацій Великобританії нещодавно оголосив про фінансування п’яти проектів GGR8, включаючи управління торфовищами, посилення вивітрювання гірських порід, посадку дерев, біовугілля та багаторічних культур для живлення процесу BECCS.Витрати на видалення понад 130 Мт CO2 з атмосфери на рік складають 10-100 дол. США/т CO2, 0,2-8,1 млн. т СО2 на рік для відновлення торфовищ, 52-480 дол. , 0,4-30 у.о./рік.т CO2, 3,6 Мт CO2/рік, 1% збільшення лісової площі, 0,4-30 дол. США/т CO2, 6-41 Мт СО2/рік, біовугілля, 140-270 дол. США/т CO2, 20–70 Мт СО2 на рік для багаторічних культур BECCS9.
Комбінація цих підходів потенційно може досягти цільового показника 130 Мт CO2 на рік, але витрати на вивітрювання гірських порід і BECCS є високими, а біовугілля, хоча й відносно дешеве та не пов’язане із землекористуванням, вимагає сировини для процесу виробництва біовугілля.пропонує цю розробку та кількість для розгортання інших технологій GGR.
Замість того, щоб шукати рішення на суші, шукайте воду, особливо одноклітинні фототрофи, такі як мікроводорості та ціанобактерії10.Водорості (включаючи ціанобактерії) вловлюють приблизно 50% світового вуглекислого газу, хоча на них припадає лише 1% світової біомаси11.Ціанобактерії є оригінальними природними біогеоінженерами, які закладають основу респіраторного метаболізму та еволюції багатоклітинного життя через кисневий фотосинтез12.Ідея використання ціанобактерій для захоплення вуглецю не нова, але інноваційні методи фізичного розміщення відкривають нові горизонти для цих стародавніх організмів.
Відкриті ставки та фотобіореактори є активами за замовчуванням при використанні мікроводоростей і ціанобактерій у промислових цілях.У цих культуральних системах використовується суспензійна культура, в якій клітини вільно плавають у ростовому середовищі14;проте ставки та фотобіореактори мають багато недоліків, таких як поганий масообмін CO2, інтенсивне використання землі та води, сприйнятливість до біообростання та високі витрати на будівництво та експлуатацію15,16.Біоплівкові біореактори, які не використовують суспензійні культури, є більш економними з точки зору води та простору, але піддаються ризику пошкодження внаслідок висихання, схильні до відшарування біоплівки (і, отже, втрати активної біомаси), і однаково схильні до біообростання17.
Потрібні нові підходи, щоб збільшити швидкість поглинання CO2 і вирішити проблеми, які обмежують реактори для суспензії та біоплівки.Одним із таких підходів є фотосинтетичні біокомпозити, створені за мотивами лишайників.Лишайники — це комплекс грибів і фотобіонтів (мікроводоростей та/або ціанобактерій), які покривають приблизно 12% площі суші Землі18.Гриби забезпечують фізичну підтримку, захист і закріплення фотобіотичного субстрату, який, у свою чергу, забезпечує гриби вуглецем (у вигляді надлишку продуктів фотосинтезу).Пропонований біокомпозит є «ліхеноміметиком», в якому концентрована популяція ціанобактерій іммобілізована у вигляді тонкого біопокриття на підкладці-носії.Крім клітин, біопокриття містить полімерну матрицю, здатну замінити грибок.Полімерні емульсії або «латекси» на водній основі є кращими, оскільки вони біосумісні, довговічні, недорогі, прості у використанні та комерційно доступні19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
На фіксацію клітин латексними полімерами великий вплив має склад латексу та процес утворення плівки.Емульсійна полімеризація — це гетерогенний процес, який використовується для виробництва синтетичного каучуку, клейових покриттів, герметиків, добавок для бетону, паперових і текстильних покриттів і латексних фарб27.Він має низку переваг перед іншими методами полімеризації, наприклад, високу швидкість реакції та ефективність перетворення мономерів, а також легкість контролю продукту27,28.Вибір мономерів залежить від бажаних властивостей отриманої полімерної плівки, а для змішаних мономерних систем (тобто кополімеризації) властивості полімеру можна змінити шляхом вибору різних співвідношень мономерів, які утворюють кінцевий полімерний матеріал.Бутилакрилат і стирол є одними з найпоширеніших акрилових латексних мономерів і використовуються тут.Крім того, коалесцирующие агенти (наприклад, тексанол) часто використовуються для сприяння рівномірному утворенню плівки, де вони можуть змінювати властивості полімерного латексу для отримання міцного і «безперервного» (коалесцирующего) покриття.У нашому початковому дослідженні для підтвердження концепції тривимірний біокомпозит із високою площею поверхні та високою пористістю був виготовлений за допомогою комерційної латексної фарби, нанесеної на губку з люфи.Після тривалих і безперервних маніпуляцій (вісім тижнів) біокомпозит продемонстрував обмежену здатність утримувати ціанобактерії на каркасі з люфи, оскільки ріст клітин послабив структурну цілісність латексу.У поточному дослідженні ми мали на меті розробити серію акрилових латексних полімерів відомої хімії для постійного використання в програмах уловлювання вуглецю без шкоди для розкладання полімеру.Роблячи це, ми продемонстрували здатність створювати елементи полімерної матриці, подібні до лишайників, які забезпечують покращену біологічну ефективність і значно підвищену механічну еластичність порівняно з перевіреними біокомпозитами.Подальша оптимізація прискорить використання біокомпозитів для уловлювання вуглецю, особливо в поєднанні з ціанобактеріями, метаболічно модифікованими для посилення секвестрації CO2.
Дев'ять латексів з трьома полімерними складами (H = «твердий», N = «нормальний», S = «м'який») і три типи Texanol (0, 4, 12% об./об.) були перевірені на токсичність і кореляцію деформацій.Клей.від двох ціанобактерій.Тип латексу значно вплинув на S. elongatus PCC 7942 (тест Ширера-Рея-Хейра, латекс: DF=2, H=23,157, P=<0,001) і CCAP 1479/1A (двосторонній дисперсійний аналіз, латекс: DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (рис. 1а).Концентрація тексанолу суттєво не вплинула на ріст S. elongatus PCC 7942, лише N-латекс був нетоксичним (рис. 1a), а 0 N і 4 N підтримували ріст відповідно на 26% і 35% (Mann- Whitney U, 0 N проти 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N проти контролю: W = 25,0, P = 0,061; 4 N проти контролю: W = 25,0, P = 0,061) і 12 N підтримували порівнянний ріст до біологічного контролю (Університет Манна-Уітні, 12 N проти контролю: W = 17,0, P = 0,885).Для S. elongatus CCAP 1479/1A як суміш латексу, так і концентрація тексанолу були важливими факторами, і спостерігалася значна взаємодія між ними (двосторонній дисперсійний аналіз, 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 і всі «м’які» латекси сприяли росту (рис. 1а).Спостерігається тенденція до поліпшення росту при зменшенні стирольного складу.
Випробування на токсичність і адгезію ціанобактерій (Synechococcus elongatus PCC 7942 і CCAP 1479/1A) до латексних композицій, зв’язок із температурою склування (Tg) і матриця рішень на основі даних про токсичність і адгезію.(a) Випробування на токсичність проводили з використанням окремих графіків процентного зростання ціанобактерій, нормалізованих для контрольних суспензійних культур.Обробки, позначені *, значно відрізняються від контрольних.(b) Дані про ріст ціанобактерій порівняно з Tg латексом (середнє ± SD; n = 3).(c) Кумулятивна кількість ціанобактерій, вивільнених під час тесту на адгезію біокомпозиту.(d) Дані адгезії проти Tg латексу (середнє ± StDev; n = 3).e Матриця прийняття рішень на основі даних про токсичність і адгезію.Співвідношення стиролу до бутилакрилату становить 1:3 для «твердого» (H) латексу, 1:1 для «нормального» (N) і 3:1 для «м’якого» (S).Попередні цифри в коді латексу відповідають вмісту Texanol.
У більшості випадків життєздатність клітин знижувалася зі збільшенням концентрації тексанолу, але не було значної кореляції для жодного зі штамів (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).На рис.1b показано залежність між ростом клітин і температурою склування (Tg).Існує сильна негативна кореляція між концентрацією тексанолу та значеннями 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).Дані показали, що оптимальна Tg для росту S. elongatus PCC 7942 становила близько 17 °C (рис. 1b), тоді як S. elongatus CCAP 1479/1A сприяла Tg нижче 0 °C (рис. 1b).Лише S. elongatus CCAP 1479/1A мав сильну негативну кореляцію між Tg і даними про токсичність (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Усі латекси мали хорошу адгезійну афінність, і жоден з них не вивільнив більше 1% клітин через 72 години (рис. 1c).Не було значної різниці між латексами двох штамів S. elongatus (PCC 7942: тест Шейрера-Рей-Хара, латекс*тексанол, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Шейрер- променевий тест).– Тест Зайця, латекс*тексанол, DF=4, H=3,277, P=0,513).Зі збільшенням концентрації Texanol вивільняється більше клітин (рис. 1c).порівняно з S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (рис. 1d).Крім того, не було статистичного зв’язку між Tg і клітинною адгезією двох штамів (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Для обох штамів «жорсткі» латексні полімери були неефективними.Навпаки, 4N і 12N показали найкращі результати проти S. elongatus PCC 7942, тоді як 4S і 12S показали найкращі результати проти CCAP 1479/1A (рис. 1e), хоча, очевидно, є місце для подальшої оптимізації полімерної матриці.Ці полімери використовувалися в напівсерійних тестах на чисте поглинання CO2.
Фотофізіологію спостерігали протягом 7 днів з використанням клітин, суспендованих у водній латексній композиції.Загалом, як видима швидкість фотосинтезу (PS), так і максимальний квантовий вихід PSII (Fv/Fm) зменшуються з часом, але це зниження є нерівномірним, і деякі набори даних PS демонструють двофазну відповідь, що свідчить про часткову відповідь, хоча відновлення в реальному часі коротша активність ФС (рис. 2а і 3б).Двофазна відповідь Fv/Fm була менш вираженою (рис. 2b і 3b).
(a) Уявна швидкість фотосинтезу (PS) і (b) максимальний квантовий вихід PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus PCC 7942 у відповідь на латексні склади порівняно з контрольними суспензійними культурами.Співвідношення стиролу до бутилакрилату становить 1:3 для «твердого» (H) латексу, 1:1 для «нормального» (N) і 3:1 для «м’якого» (S).Попередні цифри в коді латексу відповідають вмісту Texanol.(середнє ± стандартне відхилення; n = 3).
(a) Уявна швидкість фотосинтезу (PS) і (b) максимальний квантовий вихід PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A у відповідь на латексні склади порівняно з контрольними суспензійними культурами.Співвідношення стиролу до бутилакрилату становить 1:3 для «твердого» (H) латексу, 1:1 для «нормального» (N) і 3:1 для «м’якого» (S).Попередні цифри в коді латексу відповідають вмісту Texanol.(середнє ± стандартне відхилення; n = 3).
Для S. elongatus PCC 7942 склад латексу та концентрація тексанолу не впливали на PS з часом (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), хоча склад був важливим фактором (GLM)., латекс*час, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (рис. 2а).Не було значного впливу концентрації тексанолу з часом (GLM, тексанол*час, DF=14, F=1,63, P=0,078).Була значна взаємодія, що впливає на Fv/Fm (GLM, латекс*тексанол*час, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Взаємодія між композицією латексу та концентрацією Texanol мала значний вплив на Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Кожен параметр також впливає на Fv/Fm з часом (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 і Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=<0,001).Латекс 12H зберіг найнижчі середні значення PS і Fv/Fm (рис. 2b), що вказує на те, що цей полімер більш токсичний.
PS S. elongatus CCAP 1479/1A значно відрізнявся (GLM, латекс * тексанол * час, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), з латексним складом, а не з концентрацією тексанолу (GLM, латекс * час, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Тексанол*час, DF=14, F=1,26, P=0,239).«М’які» полімери 0S і 4S підтримували дещо вищі рівні продуктивності PS, ніж контрольні суспензії (U Mann-Whitney, 0S проти контролю, W = 686,0, P = 0,044, 4S проти контролю, W = 713, P = 0,01) і підтримували покращений Fv./Fm (рис. 3a) показує більш ефективний транспорт до Photosystem II.Для значень Fv/Fm клітин CCAP 1479/1A спостерігалася значна різниця латексу з часом (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Малюнок 3b).).
На рис.4 показує середні PS і Fv/Fm протягом 7-денного періоду як функцію росту клітин для кожного штаму.S. elongatus PCC 7942 не мав чіткої картини (рис. 4a і b), однак CCAP 1479/1A показав параболічний зв’язок між значеннями PS (рис. 4c) і Fv/Fm (рис. 4d) як співвідношення стиролу і бутилакрилату зростають зі зміною.
Зв'язок між ростом і фотофізіологією Synechococcus longum на латексних препаратах.(a) Дані токсичності, нанесені на графік відносно уявної швидкості фотосинтезу (PS), (b) максимальний квантовий вихід PSII (Fv/Fm) PCC 7942. c Дані токсичності, нанесені на графік проти PS та d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Співвідношення стиролу до бутилакрилату становить 1:3 для «твердого» (H) латексу, 1:1 для «нормального» (N) і 3:1 для «м’якого» (S).Попередні цифри в коді латексу відповідають вмісту Texanol.(середнє ± стандартне відхилення; n = 3).
Біокомпозит PCC 7942 мав обмежений вплив на утримання клітин зі значним вимиванням клітин протягом перших чотирьох тижнів (рис. 5).Після початкової фази поглинання CO2 клітини, фіксовані 12 N латексом, почали вивільняти CO2, і ця картина зберігалася між 4 і 14 днями (рис. 5b).Ці дані узгоджуються зі спостереженнями зміни кольору пігменту.Чисте поглинання CO2 знову почалося з 18-го дня. Незважаючи на вивільнення клітин (рис. 5a), біокомпозит PCC 7942 12 N все ще накопичував більше CO2, ніж контрольна суспензія протягом 28 днів, хоча й незначно (U-тест Манна-Уітні, W = 2275,5; P = 0,066).Швидкість поглинання CO2 латексом 12 N і 4 N становить 0,51 ± 0,34 та 1,18 ± 0,29 г CO2 г-1 біомаси d-1.Була статистично значуща різниця між рівнем лікування та часом (тест Чейрера-Рея-Хейра, лікування: DF=2, H=70,62, P=<0,001 раз: DF=13, H=23,63, P=0,034), але не було.спостерігався значний зв’язок між лікуванням і часом (тест Чейрера-Рея-Хара, час*лікування: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Випробування на поглинання CO2 у половині партії біокомпозитів Synechococcus elongatus PCC 7942 з використанням латексу 4N і 12N.(a) Зображення показують вивільнення клітин і зміну кольору пігменту, а також SEM-зображення біокомпозиту до і після тестування.Білі пунктирні лінії позначають місця осадження клітин на біокомпозите.(b) Сукупне чисте поглинання CO2 за чотиритижневий період.«Нормальний» (N) латекс має співвідношення стиролу до бутилакрилату 1:1.Попередні цифри в коді латексу відповідають вмісту Texanol.(середнє ± стандартне відхилення; n = 3).
Утримання клітин було значно покращено для штаму CCAP 1479/1A з 4S і 12S, хоча пігмент повільно змінював колір з часом (рис. 6а).Біокомпозит CCAP 1479/1A поглинає CO2 протягом повних 84 днів (12 тижнів) без додаткових поживних добавок.SEM-аналіз (рис. 6а) підтвердив візуальне спостереження відшарування дрібних клітин.Спочатку клітини були вкриті латексним покриттям, яке зберігало свою цілісність, незважаючи на ріст клітин.Рівень поглинання CO2 був значно вищим, ніж у контрольній групі (тест Шейрера-Рей-Хара, лікування: DF=2; H=240,59; P=<0,001, час: DF=42; H=112; P=<0,001) ( рис. 6b).Біокомпозит 12S досяг найвищого рівня поглинання CO2 (1,57 ± 0,08 г CO2 г-1 біомаси на день), тоді як латекс 4S становив 1,13 ± 0,41 г CO2 г-1 біомаси на день, але вони суттєво не відрізнялися (Mann-Whitney U ., W = 1507,50; P = 0,07) і не було значної взаємодії між лікуванням і часом (тест Ширера-Рей-Хара, час * лікування: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Тестування половини партії поглинання CO2 з використанням біокомпозитів Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A з латексом 4N і 12N.(a) Зображення показують вивільнення клітин і зміну кольору пігменту, а також SEM-зображення біокомпозиту до і після тестування.Білі пунктирні лінії позначають місця осадження клітин на біокомпозите.(b) Сукупне чисте поглинання CO2 за дванадцятитижневий період.«М’який» (S) латекс має співвідношення стиролу до бутилакрилату 1:1.Попередні цифри в коді латексу відповідають вмісту Texanol.(середнє ± стандартне відхилення; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (критерій Ширера-Рея-Хара, час*обробка: DF=4, H=3,243, P=0,518) або біокомпозит S. elongatus CCAP 1479/1A (два ANOVA, час*обробка: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (рис. S4).Біокомпозит PCC 7942 мав найвищий вміст вуглеводів на тижні 2 (4 N = 59,4 ± 22,5 мас.%, 12 N = 67,9 ± 3,3 мас.%), тоді як контрольна суспензія мала найвищий вміст вуглеводів на тижні 4, коли (контроль = 59,6 ± 2,84% w/w).Загальний вміст вуглеводів у біокомпозиті CCAP 1479/1A був порівнянним із контрольною суспензією, за винятком початку випробування, з деякими змінами в латексі 12S на 4-му тижні. Найвищі значення для біокомпозиту становили 51,9 ± 9,6 мас.% для 4S і 77,1 ± 17,0% мас. для 12S.
Ми мали намір продемонструвати можливості розробки для підвищення структурної цілісності тонкоплівкових латексних полімерних покриттів як важливого компонента концепції біокомпозиту, що імітує лишайники, без шкоди для біосумісності чи продуктивності.Дійсно, якщо структурні проблеми, пов’язані з ростом клітин, будуть подолані, ми очікуємо значного покращення продуктивності в порівнянні з нашими експериментальними біокомпозитами, які вже можна порівняти з іншими системами захоплення вуглецю ціанобактерій і мікроводоростей.
Покриття мають бути нетоксичними, міцними, підтримувати тривалу адгезію клітин і мають бути пористими, щоб сприяти ефективному масообміну CO2 і дегазації O2.Акрилові полімери латексного типу прості у виготовленні та широко використовуються у лакофарбовій, текстильній та клейовій промисловості30.Ми поєднали ціанобактерії з акриловою латексною полімерною емульсією на водній основі, полімеризованою з певним співвідношенням частинок стиролу/бутилакрилату та різними концентраціями тексанолу.Стирол і бутилакрилат були вибрані, щоб мати можливість контролювати фізичні властивості, особливо еластичність і ефективність коалесценції покриття (важливе для міцного покриття з високою адгезією), що дозволяє синтезувати «тверді» і «м’які» агрегати частинок.Дані про токсичність свідчать про те, що «твердий» латекс із високим вмістом стиролу не сприяє виживанню ціанобактерій.На відміну від бутилакрилату, стирол вважається токсичним для водоростей32,33.Штами ціанобактерій досить по-різному реагували на латекс, і оптимальна температура склування (Tg) була визначена для S. elongatus PCC 7942, тоді як S. elongatus CCAP 1479/1A показала негативну лінійну залежність від Tg.
Температура сушіння впливає на здатність утворювати суцільну однорідну латексну плівку.Якщо температура сушіння нижче мінімальної температури утворення плівки (MFFT), частинки полімерного латексу не будуть повністю зливатися, що призведе до адгезії лише на межі розділу частинок.Отримані плівки мають погану адгезію та механічну міцність і можуть бути навіть у формі порошку29.MFFT тісно пов'язаний з Tg, який можна контролювати мономерним складом і додаванням коалесентів, таких як Texanol.Tg визначає багато фізичних властивостей отриманого покриття, яке може бути в гумоподібному або склоподібному стані34.Відповідно до рівняння Флорі-Фокса35 Tg залежить від типу мономеру та відносного процентного складу.Додавання коалесценту може знизити MFFT шляхом періодичного пригнічення Tg частинок латексу, що дозволяє утворювати плівку за нижчих температур, але все ще утворює тверде та міцне покриття, оскільки коалесцент повільно випаровується з часом або був екстрагований 36 .
Збільшення концентрації Тексанолу сприяє утворенню плівки шляхом розм’якшення частинок полімеру (зниження Tg) за рахунок поглинання частинками під час сушіння, тим самим збільшуючи міцність когезійної плівки та адгезію клітин.Оскільки біокомпозит сушать при температурі навколишнього середовища (~18–20°C), Tg (від 30 до 55°C) «твердого» латексу вища за температуру сушіння, що означає, що коалесценція частинок може бути не оптимальною, що призводить до Плівки B, які залишаються склоподібними, погані механічні та адгезивні властивості, обмежена еластичність і дифузійність30 призводять до більшої втрати клітин.Утворення плівки з «нормальних» і «м’яких» полімерів відбувається при або нижче Tg полімерної плівки, і утворення плівки покращується завдяки покращеній коалесценції, що призводить до отримання суцільних полімерних плівок з покращеними механічними, когезійними та адгезивними властивостями.Отримана плівка залишатиметься гумовою під час експериментів із уловлювання CO2 через те, що її Tg близька до («нормальна» суміш: від 12 до 20 ºC) або значно нижча («м’яка» суміш: від -21 до -13 °C) до температури навколишнього середовища 30 .«Твердий» латекс (від 3,4 до 2,9 кгс мм–1) у три рази твердіший за «звичайний» латекс (від 1,0 до 0,9 кгс мм–1).Твердість «м'яких» латексів неможливо виміряти мікротвердістю через їх надмірну гумоподібність і липкість при кімнатній температурі.Поверхневий заряд також може впливати на адгезійну спорідненість, але для надання суттєвої інформації потрібні додаткові дані.Проте всі латекси ефективно утримували клітини, вивільняючи менше 1%.
Продуктивність фотосинтезу з часом знижується.Вплив полістиролу призводить до руйнування мембрани та окислювального стресу38,39,40,41.Значення Fv/Fm S. elongatus CCAP 1479/1A під впливом 0S і 4S були майже вдвічі вищими порівняно з контролем суспензії, що добре узгоджується зі швидкістю поглинання CO2 біокомпозитом 4S, а також з нижчі середні значення PS.значення.Вищі значення Fv/Fm вказують на те, що транспорт електронів до PSII може доставляти більше фотонів42, що може призвести до вищих показників фіксації CO2.Однак слід зазначити, що фотофізіологічні дані були отримані з клітин, суспендованих у водних розчинах латексу, і не обов’язково можуть бути безпосередньо порівняні зі зрілими біокомпозитами.
Якщо латекс створює бар’єр для світла та/або газообміну, що призводить до обмеження світла та CO2, це може спричинити клітинний стрес і знизити продуктивність, а якщо він впливає на виділення O2, фотодихання39.Було оцінено світлопроникність затверділих покриттів: «твердий» латекс продемонстрував невелике зниження світлопроникності між 440 і 480 нм (покращено частково завдяки збільшенню концентрації тексанолу через покращену коалесценцію плівки), тоді як «м’який» і «звичайний» ” латекс продемонстрував незначне зниження світлопроникності.не показує помітної втрати втрати.Аналізи, а також усі інкубації проводилися при низькій інтенсивності світла (30,5 мкмоль м-2 с-1), тому будь-яке фотосинтетично активне випромінювання через полімерну матрицю буде компенсовано і навіть може бути корисним для запобігання фотоінгібування.при шкідливій інтенсивності світла.
Біокомпозит CCAP 1479/1A функціонував протягом 84 днів тестування без обороту поживних речовин або значної втрати біомаси, що є ключовою метою дослідження.Депігментація клітин може бути пов’язана з процесом хлорозу у відповідь на азотне голодування для досягнення тривалого виживання (стан спокою), що може допомогти клітинам відновити ріст після того, як буде досягнуто достатнє накопичення азоту.Зображення SEM підтвердили, що клітини залишаються всередині покриття, незважаючи на поділ клітин, демонструючи еластичність «м’якого» латексу і таким чином демонструючи явну перевагу над експериментальною версією.«М’який» латекс містить близько 70% бутилакрилату (за вагою), що значно перевищує заявлену концентрацію для гнучкого покриття після висихання44.
Чисте поглинання CO2 було значно вищим, ніж у контрольної суспензії (у 14–20 і 3–8 разів вище для S. elongatus CCAP 1479/1A та PCC 7942 відповідно).Раніше ми використовували модель масопереносу CO2, щоб показати, що основним фактором високого поглинання CO2 є різкий градієнт концентрації CO2 на поверхні біокомпозиту31 і що продуктивність біокомпозиту може бути обмежена стійкістю до масопереносу.Цю проблему можна подолати, додавши в латекс нетоксичні інгредієнти, що не утворюють плівку, щоб збільшити пористість і проникність покриття26, але утримання клітин може бути порушено, оскільки ця стратегія неминуче призведе до слабшої плівки20.Хімічний склад можна змінити під час полімеризації для збільшення пористості, що є найкращим варіантом, особливо з точки зору промислового виробництва та масштабованості45.
Ефективність нового біокомпозиту порівняно з нещодавніми дослідженнями з використанням біокомпозитів із мікроводоростей і ціанобактерій продемонструвала переваги в регулюванні швидкості завантаження клітин (таблиця 1)21,46 і з довшим часом аналізу (84 дні проти 15 годин46 і 3 тижні21).
Об’ємний вміст вуглеводів у клітинах вигідно відрізняється від інших досліджень47,48,49,50 з використанням ціанобактерій і використовується як потенційний критерій для застосувань уловлювання та використання/відновлення вуглецю, наприклад для процесів бродіння BECCS49,51 або для виробництва біорозкладаних біопластика52 .В рамках обґрунтування цього дослідження ми припускаємо, що лісонасадження, навіть враховане в концепції негативних викидів BECCS, не є панацеєю від зміни клімату та споживає тривожну частку орних земель у світі6.В якості експерименту було підраховано, що до 2100 року з атмосфери потрібно буде видалити від 640 до 950 ГтCO2, щоб обмежити зростання глобальної температури до 1,5°C53 (приблизно 8-12 ГтCO2 на рік).Досягнення цього за допомогою кращого біокомпозиту (574,08 ± 30,19 т CO2 т-1 біомаси на рік-1) вимагало б збільшення об’єму з 5,5 × 1010 до 8,2 × 1010 м3 (з порівнянною фотосинтетичною ефективністю), що містить від 196 до 2,92 мільярдів літрів полімер.Якщо припустити, що 1 м3 біокомпозитів займає 1 м2 площі землі, площа, необхідна для поглинання цільового річного сумарного CO2, становитиме від 5,5 до 8,17 млн. га, що еквівалентно 0,18-0,27% придатних для життя земель у тропіках і зменшують площу суші.потреба в BECCS на 98-99%.Слід зазначити, що теоретичний коефіцієнт захоплення базується на поглинанні CO2, зареєстрованому за слабкого освітлення.Щойно біокомпозит піддається більш інтенсивному природному освітленню, швидкість поглинання CO2 зростає, що ще більше зменшує потребу в землі та схиляє чашу терезів у бік концепції біокомпозиту.Однак реалізація повинна бути на екваторі для постійної інтенсивності та тривалості підсвічування.
Глобальний ефект удобрення CO2, тобто підвищення продуктивності рослинності, спричинене збільшенням доступності CO2, зменшився на більшості земельних ділянок, ймовірно, через зміни основних поживних речовин ґрунту (N і P) і водних ресурсів7.Це означає, що наземний фотосинтез може не призвести до збільшення поглинання CO2, незважаючи на підвищені концентрації CO2 в повітрі.У цьому контексті наземні стратегії пом’якшення зміни клімату, такі як BECCS, ще менш імовірні.Якщо це глобальне явище буде підтверджено, наш біокомпозит, натхненний лишайниками, може стати ключовим активом, перетворюючи одноклітинні водні фотосинтезуючі мікроби на «наземних агентів».Більшість наземних рослин фіксують CO2 за допомогою фотосинтезу C3, тоді як рослини C4 більш сприятливі для більш теплих і сухих середовищ існування та більш ефективні при вищому парціальному тиску CO254.Ціанобактерії пропонують альтернативу, яка може компенсувати тривожні прогнози щодо зниження впливу вуглекислого газу на рослини C3.Ціанобактерії подолали фотореспіраторні обмеження, розробивши ефективний механізм збагачення вуглецем, у якому вищий парціальний тиск CO2 представлений і підтримується рибулозо-1,5-бісфосфаткарбоксилазою/оксигеназою (RuBisCo) всередині карбоксисом навколо.Якщо виробництво ціанобактеріальних біокомпозитів вдасться збільшити, це може стати важливою зброєю для людства в боротьбі зі зміною клімату.
Біокомпозити (імітатори лишайників) пропонують явні переваги перед звичайними суспензійними культурами мікроводоростей і ціанобактерій, забезпечуючи вищі показники поглинання CO2, мінімізуючи ризики забруднення та обіцяючи конкурентне уникнення CO2.Витрати значно скорочують використання землі, води та поживних речовин56.Це дослідження демонструє доцільність розробки та виробництва високоефективного біосумісного латексу, який у поєднанні з губкою з люфи як кандидатом на субстрат може забезпечити ефективне та ефективне поглинання CO2 протягом місяців операції, зберігаючи втрату клітин до мінімуму.Теоретично біокомпозити можуть вловлювати приблизно 570 т CO2 т-1 біомаси на рік і можуть виявитися важливішими, ніж стратегії лісонасадження BECCS, у нашій реакції на зміну клімату.Завдяки подальшій оптимізації складу полімеру, тестуванню при вищій інтенсивності світла та в поєднанні з продуманою метаболічною інженерією оригінальні біогеоінженери природи знову можуть прийти на допомогу.
Акрилові латексні полімери готували з використанням суміші стирольних мономерів, бутилакрилату та акрилової кислоти, а рН доводили до 7 за допомогою 0,1 М гідроксиду натрію (таблиця 2).Стирол і бутилакрилат складають основну масу полімерних ланцюгів, тоді як акрилова кислота допомагає утримувати частинки латексу в суспензії57.Структурні властивості латексу визначаються температурою склування (Tg), яка контролюється зміною співвідношення стиролу та бутилакрилату, що забезпечує «тверді» та «м’які» властивості відповідно58.Типовим акриловим латексним полімером є 50:50 стирол:бутилакрилат 30, тому в цьому дослідженні латекс із таким співвідношенням називали «нормальним» латексом, а латекс із вищим вмістом стиролу називали латексом із меншим вмістом стиролу. .називають «м'яким» як «твердим».
Первинну емульсію готували з використанням дистильованої води (174 г), бікарбонату натрію (0,5 г) і поверхнево-активної речовини Rhodapex Ab/20 (30,92 г) (Solvay) для стабілізації 30 крапель мономеру.Використовуючи скляний шприц (Science Glass Engineering) зі шприцевим насосом, вторинну аликвоту, що містить стирол, бутилакрилат і акрилову кислоту, перераховані в таблиці 2, додавали по краплях зі швидкістю 100 мл/год до первинної емульсії протягом 4 годин (Cole -Палмер, Маунт-Вернон, Іллінойс).Приготуйте розчин ініціатора полімеризації 59, використовуючи dHO та персульфат амонію (100 мл, 3% мас.).
Перемішайте розчин, що містить dHO (206 г), бікарбонат натрію (1 г) і Rhodapex Ab/20 (4,42 г), за допомогою верхньої мішалки (Heidolph Hei-TORQUE значення 100) з пропелером з нержавіючої сталі та нагрійте до 82 °C у посудину з водяною сорочкою у водяній бані з підігрівом VWR Scientific 1137P.Знижену масу розчину мономеру (28,21 г) та ініціатора (20,60 г) додавали по краплях у посудину з сорочкою та перемішували протягом 20 хвилин.Енергійно перемішайте залишки розчинів мономеру (150 мл/год) та ініціатора (27 мл/год), щоб утримувати частинки в суспензії, поки вони не будуть додані у водяну сорочку протягом 5 годин, використовуючи 10 мл шприців і 100 мл відповідно в контейнері .комплектується шприцевим насосом.Швидкість мішалки була збільшена через збільшення об’єму суспензії, щоб забезпечити утримання суспензії.Після додавання ініціатора та емульсії температуру реакції підвищували до 85°C, добре перемішували при 450 об/хв протягом 30 хвилин, потім охолоджували до 65°C.Після охолодження до латексу додавали два розчини витіснення: трет-бутилгідропероксид (t-BHP) (70% у воді) (5 г, 14% за масою) та ізоаскорбінову кислоту (5 г, 10% за масою)..Додайте t-BHP по краплях і залиште на 20 хвилин.Потім додавали ериторбінову кислоту зі швидкістю 4 мл/год з 10 мл шприца за допомогою шприцевого насоса.Розчин латексу потім охолоджували до кімнатної температури і доводили рН до 7 за допомогою 0,1 М гідроксиду натрію.
2,2,4-триметил-1,3-пентандиол моноізобутират (тексанол) – низькотоксичний біорозкладний коалесцент для латексних фарб 37,60 – додавали шприцом і насосом у трьох об’ємах (0, 4, 12% об./об.) як коалесцуючий агент для латексної суміші для полегшення утворення плівки під час сушіння37.Відсоток твердих частинок латексу визначали, поміщаючи 100 мкл кожного полімеру в попередньо зважені кришки з алюмінієвої фольги та висушуючи в печі при 100°C протягом 24 годин.
Для пропускання світла кожну латексну суміш наносили на предметне скло мікроскопа за допомогою крапельного куба з нержавіючої сталі, відкаліброваного для отримання плівок 100 мкм, і сушили при 20°C протягом 48 годин.Світлопропускання (зосереджене на фотосинтетично активному випромінюванні, λ 400–700 нм) вимірювали на спектрорадіометрі ILT950 SpectriLight із датчиком на відстані 35 см від люмінесцентної лампи 30 Вт (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – де світло Джерелом були ціанобактерії та організми Композиційні матеріали збереглися.Програмне забезпечення SpectrILight III версії 3.5 використовувалося для реєстрації освітленості та пропускання в діапазоні λ 400–700 нм61.Усі зразки поміщали на датчик, а предметні скла без покриття використовували як контроль.
Зразки латексу додавали в силіконову форму для випікання і залишали висихати протягом 24 годин перед тим, як перевірити на твердість.Помістіть висушений зразок латексу на сталевий ковпачок під мікроскопом x10.Після фокусування зразки оцінювали на мікротвердомірі Buehler Micromet II.Зразок був підданий силі від 100 до 200 грамів, а час навантаження був встановлений на 7 секунд для створення алмазної вм’ятини в зразку.Відбиток аналізували за допомогою мікроскопічного об’єктива Bruker Alicona × 10 із додатковим програмним забезпеченням для вимірювання форми.Формула твердості за Віккерсом (рівняння 1) була використана для розрахунку твердості кожного латексу, де HV — число Віккерса, F — прикладена сила, а d — середнє значення діагоналей відступу, розраховане на основі висоти та ширини латексу.значення відступу.«М’який» латекс неможливо виміряти через адгезію та розтягування під час тесту на вдавлення.
Для визначення температури склування (Tg) латексної композиції зразки полімерів поміщали в чашки з силікагелем, висушували протягом 24 годин, зважували до 0,005 г і поміщали в чашки для зразків.Чашку закривали та поміщали в диференціальний скануючий колориметр (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, програмне забезпечення аналізу даних Pyris)62.Метод теплового потоку використовується для розміщення еталонних чашок і чашок для зразків в одній печі з вбудованим датчиком температури для вимірювання температури.Для створення узгодженої кривої було використано загалом два рампи.Метод зразка неодноразово підвищували від -20°C до 180°C зі швидкістю 20°C на хвилину.Кожна початкова та кінцева точки зберігаються протягом 1 хвилини для врахування затримки температури.
Щоб оцінити здатність біокомпозиту поглинати CO2, зразки були підготовлені та протестовані так само, як і в нашому попередньому дослідженні31.Висушену та автоклавовану мочалку нарізали на смужки розміром приблизно 1×1×5 см і зважували.Нанесіть 600 мкл двох найбільш ефективних біопокриттів кожного штаму ціанобактерій на один кінець кожної смужки люфи, покриваючи приблизно 1 × 1 × 3 см, і висушіть у темряві при 20 °C протягом 24 годин.Через макропористу структуру люфи частина формули витрачалася даремно, тому ефективність завантаження клітин не була 100%.Щоб подолати цю проблему, вагу сухого препарату на люфі було визначено та нормалізовано до еталонного сухого препарату.Абіотичні контролі, що складалися з люфи, латексу та стерильного живильного середовища, готували подібним чином.
Щоб виконати тест на поглинання CO2 половиною порції, помістіть біокомпозит (n = 3) у скляну пробірку об’ємом 50 мл так, щоб один кінець біокомпозиту (без біопокриття) контактував із 5 мл середовища росту, дозволяючи поживній речовині транспортуватися капілярним шляхом..Флакон закупорений пробкою з бутилкаучуку діаметром 20 мм і обтиснутий алюмінієвим ковпачком сріблястого кольору.Після запечатування введіть 45 мл розчину 5% CO2/повітря за допомогою стерильної голки, прикріпленої до газонепроникного шприца.Щільність клітин контрольної суспензії (n = 3) була еквівалентною клітинному навантаженню біокомпозиту в живильному середовищі.Випробування проводили при 18 ± 2 °C з фотоперіодом 16:8 і фотоперіодом 30,5 мкмоль м-2 с-1.Головний простір видаляли кожні два дні газонепроникним шприцом і аналізували CO2-метром з інфрачервоним поглинанням GEOTech G100, щоб визначити відсоток поглиненого CO2.Додайте рівний об’єм газової суміші CO2.
% CO2 Fix розраховується наступним чином: % CO2 Fix = 5% (v/v) – запишіть %CO2 (рівняння 2), де P = тиск, V = об’єм, T = температура та R = ідеальна газова стала.
Повідомлені показники поглинання CO2 для контрольних суспензій ціанобактерій і біокомпозитів були нормалізовані до небіологічного контролю.Функціональною одиницею g біомаси є кількість сухої біомаси, іммобілізованої на мочалці.Визначається шляхом зважування зразків люфи до та після фіксації клітин.Облік маси клітинного навантаження (еквівалента біомаси) шляхом індивідуального зважування препаратів до та після сушіння та шляхом обчислення щільності препарату клітин (рівняння 3).Вважається, що препарати клітин є однорідними під час фіксації.
Для статистичного аналізу використовували Minitab 18 і Microsoft Excel з надбудовою RealStatistics.Нормальність перевіряли за допомогою тесту Андерсона-Дарлінга, а рівність дисперсій перевіряли за допомогою тесту Левена.Дані, що задовольняють ці припущення, були проаналізовані за допомогою двостороннього дисперсійного аналізу (ANOVA) з використанням тесту Тьюкі як пост-гок аналізу.Двосторонні дані, які не відповідали припущенням про нормальність і однакову дисперсію, аналізували за допомогою тесту Ширера-Рея-Хара, а потім U-критерію Манна-Уітні для визначення значущості між методами лікування.Узагальнені лінійні змішані (GLM) моделі використовувалися для ненормальних даних із трьома факторами, де дані були перетворені за допомогою перетворення Джонсона63.Кореляція моментів продуктів Пірсона була проведена для оцінки зв’язку між концентрацією тексанолу, температурою склування та даними про токсичність латексу та адгезію.
Час публікації: 05 січня 2023 р