Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Afișează un carusel de trei diapozitive simultan.Utilizați butoanele Anterior și Următorul pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan sau utilizați butoanele glisante de la sfârșit pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan.
Captarea și stocarea carbonului sunt esențiale pentru atingerea obiectivelor Acordului de la Paris.Fotosinteza este tehnologia naturii pentru captarea carbonului.Inspirându-ne din licheni, am dezvoltat un biocompozit fotosintetic 3D de cianobacterie (adică imitarea lichenului) folosind un polimer acrilic de latex aplicat pe un burete de lufa.Rata de absorbție a CO2 de către biocompozit a fost de 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 de biomasă d-1.Rata de absorbție se bazează pe biomasa uscată la începutul experimentului și include CO2 utilizat pentru a crește biomasă nouă, precum și CO2 conținut în compușii de stocare, cum ar fi carbohidrații.Aceste rate de absorbție au fost de 14-20 de ori mai mari decât măsurile de control al nămolului și ar putea fi potențial extinse pentru a capta 570 t CO2 t-1 biomasă pe an-1, echivalent cu 5,5-8,17 × 106 hectare de utilizare a terenului, eliminând 8-12 GtCO2 CO2 pe an.În schimb, bioenergia forestieră cu captarea și stocarea carbonului este de 0,4–1,2 × 109 ha.Biocompozitul a rămas funcțional timp de 12 săptămâni fără nutrienți suplimentari sau apă, după care experimentul a fost încheiat.În cadrul poziției tehnologice cu mai multe fațete a umanității de a combate schimbările climatice, biocompozitele cianobacteriene proiectate și optimizate au potențialul de implementare durabilă și scalabilă pentru a crește eliminarea CO2, reducând în același timp pierderile de apă, nutrienți și utilizarea terenului.
Schimbările climatice reprezintă o amenințare reală la adresa biodiversității globale, a stabilității ecosistemelor și a oamenilor.Pentru a-și atenua cele mai grave efecte, sunt necesare programe de decarburare coordonate și pe scară largă și, desigur, este necesară o anumită formă de îndepărtare directă a gazelor cu efect de seră din atmosferă.În ciuda decarbonizării pozitive a generării de energie electrică2,3, în prezent nu există soluții tehnologice durabile din punct de vedere economic pentru reducerea dioxidului de carbon (CO2)4 din atmosferă, deși captarea gazelor arse este în progres5.În loc de soluții de inginerie scalabile și practice, oamenii ar trebui să apeleze la ingineri naturali pentru captarea carbonului - organisme fotosintetice (organisme fototrofe).Fotosinteza este tehnologia de sechestrare a carbonului a naturii, dar capacitatea sa de a inversa îmbogățirea antropică a carbonului pe scale de timp semnificative este îndoielnică, enzimele sunt ineficiente și capacitatea sa de a se desfășura la scară adecvată este îndoielnică.O cale potențială pentru fototrofie este împădurirea, care taie copaci pentru bioenergie cu captarea și stocarea carbonului (BECCS) ca tehnologie cu emisii negative care poate ajuta la reducerea emisiilor nete de CO21.Cu toate acestea, pentru atingerea țintei de temperatură a Acordului de la Paris de 1,5°C, folosind BECCS ca metodă principală, ar fi nevoie de 0,4 până la 1,2 × 109 ha, echivalentul a 25–75% din terenul arabil global actual6.În plus, incertitudinea asociată cu efectele globale ale fertilizării cu CO2 pune sub semnul întrebării potențiala eficiență globală a plantațiilor forestiere7.Dacă vrem să atingem țintele de temperatură stabilite de Acordul de la Paris, 100 de secunde de GtCO2 de gaze cu efect de seră (GGR) trebuie eliminate din atmosferă în fiecare an.Departamentul de Cercetare și Inovare din Regatul Unit a anunțat recent finanțarea pentru cinci proiecte GGR8, inclusiv managementul turbării, îmbunătățirea intemperiilor rocilor, plantarea de copaci, biochar și culturi perene pentru a alimenta procesul BECCS.Costurile pentru eliminarea a peste 130 MtCO2 din atmosferă pe an sunt de 10-100 USD/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 pe an pentru refacerea turbării, 52-480 USD/tCO2 și 12-27 MtCO2 pe an pentru intemperii rocilor. , 0,4-30 USD/an.tCO2, 3,6 MtCO2/an, creștere cu 1% în suprafața pădurii, 0,4-30 USD/tCO2, 6-41 MtCO2/an, biochar, 140-270 USD/tCO2, 20 –70 Mt CO2 pe an pentru culturi permanente care utilizează BECCS9.
O combinație a acestor abordări ar putea atinge obiectivul de 130 Mt CO2 pe an, dar costurile de intemperii rocilor și BECCS sunt mari, iar biocharul, deși relativ ieftin și nu este legat de utilizarea terenului, necesită materie primă pentru procesul de producție de biochar.oferă această dezvoltare și număr pentru a implementa alte tehnologii GGR.
În loc să căutați soluții pe uscat, căutați apă, în special fototrofe unicelulare, cum ar fi microalgele și cianobacteriile10.Algele (inclusiv cianobacteriile) captează aproximativ 50% din dioxidul de carbon din lume, deși reprezintă doar 1% din biomasa mondială11.Cianobacteriile sunt biogeoinginerii originali ai naturii, punând bazele metabolismului respirator și evoluției vieții multicelulare prin fotosinteză oxigenată12.Ideea de a folosi cianobacteriile pentru a capta carbonul nu este nouă, dar metodele inovatoare de plasare fizică deschid noi orizonturi pentru aceste organisme străvechi.
Iazurile deschise și fotobioreactoarele sunt active implicite atunci când se utilizează microalge și cianobacteriile în scopuri industriale.Aceste sisteme de cultură utilizează o cultură în suspensie în care celulele plutesc liber într-un mediu de creștere14;cu toate acestea, iazurile și fotobioreactoarele au multe dezavantaje, cum ar fi transferul slab al masei de CO2, utilizarea intensivă a pământului și a apei, susceptibilitatea la biofouling și costuri ridicate de construcție și operare15,16.Bioreactoarele cu biofilm care nu folosesc culturi în suspensie sunt mai economice din punct de vedere al apei și al spațiului, dar sunt expuse riscului de deteriorare prin uscare, predispuse la detașarea biofilmului (și, prin urmare, la pierderea biomasei active) și sunt la fel de predispuse la biofouling17.
Sunt necesare noi abordări pentru a crește rata de absorbție a CO2 și pentru a aborda problemele care limitează reactoarele de șlam și biofilm.O astfel de abordare este biocompozitele fotosintetice inspirate de licheni.Lichenii sunt un complex de ciuperci și fotobionți (microalge și/sau cianobacterii) care acoperă aproximativ 12% din suprafața terestră a Pământului18.Ciupercile oferă suport fizic, protecție și ancorare substratului fotobiotic, care, la rândul lor, furnizează ciupercilor carbon (ca produse fotosintetice în exces).Biocompozitul propus este un „lichen mimetic”, în care o populație concentrată de cianobacterii este imobilizată sub forma unui bioacoperire subțire pe un substrat purtător.Pe lângă celule, bioacoperirea conține o matrice polimerică care poate înlocui ciuperca.Emulsiile polimerice pe bază de apă sau „latexurile” sunt preferate deoarece sunt biocompatibile, durabile, ieftine, ușor de manevrat și disponibile comercial19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Fixarea celulelor cu polimeri de latex este foarte influențată de compoziția latexului și de procesul de formare a peliculei.Polimerizarea în emulsie este un proces eterogen utilizat pentru a produce cauciuc sintetic, acoperiri adezive, etanșanți, aditivi pentru beton, acoperiri de hârtie și textile și vopsele latex27.Are o serie de avantaje față de alte metode de polimerizare, cum ar fi viteza mare de reacție și eficiența conversiei monomerului, precum și ușurința în controlul produsului27,28.Alegerea monomerilor depinde de proprietățile dorite ale filmului polimeric rezultat, iar pentru sistemele de monomeri mixte (adică, copolimerizări), proprietățile polimerului pot fi modificate prin selectarea diferitelor rapoarte de monomeri care formează materialul polimeric rezultat.Acrilatul de butii și stirenul sunt printre cei mai obișnuiți monomeri de latex acrilic și sunt utilizați aici.În plus, agenții de coalescere (de exemplu, Texanol) sunt adesea utilizați pentru a promova formarea uniformă a peliculei unde pot modifica proprietățile latexului polimeric pentru a produce o acoperire puternică și „continuă” (coalescentă).În studiul nostru inițial de dovadă a conceptului, a fost fabricat un biocompozit 3D cu suprafață mare și porozitate ridicată folosind o vopsea de latex din comerț aplicată pe un burete de lufa.După manipulări lungi și continue (opt săptămâni), biocompozitul a arătat o capacitate limitată de a reține cianobacteriile pe schela de lufa, deoarece creșterea celulelor a slăbit integritatea structurală a latexului.În studiul actual, ne-am propus să dezvoltăm o serie de polimeri latex acrilici de chimie cunoscută pentru utilizare continuă în aplicații de captare a carbonului, fără a sacrifica degradarea polimerului.Făcând acest lucru, am demonstrat capacitatea de a crea elemente de matrice polimerică asemănătoare lichenului care oferă performanțe biologice îmbunătățite și elasticitate mecanică semnificativ crescută în comparație cu biocompozitele dovedite.O optimizare ulterioară va accelera absorbția biocompozitelor pentru captarea carbonului, în special atunci când sunt combinate cu cianobacteriile modificate metabolic pentru a îmbunătăți sechestrarea CO2.
Nouă latexuri cu trei formulări polimerice (H = „dur”, N = „normal”, S = „moale”) și trei tipuri de Texanol (0, 4, 12% v/v) au fost testate pentru toxicitate și corelarea tulpinii.Adeziv.de la două cianobacterii.Tipul de latex a influențat semnificativ S. elongatus PCC 7942 (testul Shirer-Ray-Hare, latex: DF=2, H=23,157, P=<0,001) și CCAP 1479/1A (ANOVA bidirecțională, latex: DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (Fig. 1a).Concentrația de texanol nu a afectat semnificativ creșterea S. elongatus PCC 7942, doar N-latexul a fost netoxic (Fig. 1a), iar 0 N și 4 N au menținut o creștere de 26% și, respectiv, 35% (Mann- Whitney U, 0 N față de 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N față de control: W = 25,0, P = 0,061; 4 N față de control: W = 25,0, P = 0,061) și 12 N au menținut creșterea comparabilă la controlul biologic (Universitatea Mann-Whitney, 12 N vs. control: W = 17,0, P = 0,885).Pentru S. elongatus CCAP 1479/1A, atât amestecul de latex, cât și concentrația de texanol au fost factori importanți și s-a observat o interacțiune semnificativă între cei doi (ANOVA bidirecțională, latex: DF=2, F=103,93, P=<0,001, Texanol). : DF=2, F=5,96, P=0,01, Latex*Texanol: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N și toate latexurile „moale” au promovat creșterea (Fig. 1a).Există o tendință de îmbunătățire a creșterii odată cu scăderea compoziției de stiren.
Testarea toxicității și a aderenței cianobacteriilor (Synechococcus elongatus PCC 7942 și CCAP 1479/1A) la formulările de latex, relația cu temperatura de tranziție sticloasă (Tg) și matricea de decizie bazată pe datele de toxicitate și aderență.(a) Testarea de toxicitate a fost efectuată folosind diagrame separate de creștere procentuală a cianobacteriilor normalizate pentru a controla culturile în suspensie.Tratamentele marcate cu * sunt semnificativ diferite de martori.(b) Datele de creștere a cianobacteriilor față de latexul Tg (media ± SD; n = 3).(c) Numărul cumulat de cianobacterii eliberate în urma testului de aderență a biocompozitului.(d) Date de aderență față de Tg a latexului (media ± StDev; n = 3).e Matrice de decizie bazată pe date de toxicitate și aderență.Raportul dintre stiren și acrilat de butii este de 1:3 pentru latexul „dur” (H), 1:1 pentru „normal” (N) și 3:1 pentru „moale” (S).Numerele anterioare din codul de latex corespund conținutului de Texanol.
În cele mai multe cazuri, viabilitatea celulară a scăzut odată cu creșterea concentrației de texanol, dar nu a existat o corelație semnificativă pentru niciuna dintre tulpini (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r). = – 0,127, P = 0,527).Pe fig.1b arată relația dintre creșterea celulelor și temperatura de tranziție sticloasă (Tg).Există o corelație negativă puternică între concentrația de texanol și valorile Tg (H-latex: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-latex: DF=7, r=-0,964, P=<0,001 S-latex: DF=7, r=-0,946, P=<0,001).Datele au arătat că Tg optimă pentru creșterea S. elongatus PCC 7942 a fost de aproximativ 17 ° C (Figura 1b), în timp ce S. elongatus CCAP 1479/1A a favorizat Tg sub 0 ° C (Figura 1b).Doar S. elongatus CCAP 1479/1A a avut o corelație negativă puternică între Tg și datele de toxicitate (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Toate latexurile au avut afinitate bună de aderență și niciunul dintre ele nu a eliberat mai mult de 1% din celule după 72 de ore (Fig. 1c).Nu a existat o diferență semnificativă între latexurile celor două tulpini de S. elongatus (PCC 7942: test Scheirer-Ray-Hara, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- Testul cu raze).– Test iepure, latex*texanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).Pe măsură ce concentrația de Texanol crește, mai multe celule sunt eliberate (Figura 1c).comparativ cu S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Figura 1d).Mai mult, nu a existat o relație statistică între Tg și adeziunea celulară a celor două tulpini (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Pentru ambele tulpini, polimerii de latex „duri” au fost ineficienți.În contrast, 4N și 12N au avut cele mai bune rezultate împotriva S. elongatus PCC 7942, în timp ce 4S și 12S au avut cele mai bune rezultate față de CCAP 1479/1A (Fig. 1e), deși există în mod clar spațiu pentru optimizarea ulterioară a matricei polimerice.Acești polimeri au fost utilizați în testele de absorbție net de CO2 semi-lot.
Fotofiziologia a fost monitorizată timp de 7 zile folosind celule suspendate într-o compoziție apoasă de latex.În general, atât rata aparentă de fotosinteză (PS), cât și randamentul cuantic maxim PSII (Fv/Fm) scad cu timpul, dar această scădere este inegală și unele seturi de date PS arată un răspuns bifazic, sugerând un răspuns parțial, deși recuperarea în timp real. activitate PS mai scurtă (Fig. 2a și 3b).Răspunsul bifazic Fv/Fm a fost mai puțin pronunțat (Figurile 2b și 3b).
(a) Rata de fotosinteză aparentă (PS) și (b) randamentul cuantic PSII maxim (Fv/Fm) de Synechococcus elongatus PCC 7942 ca răspuns la formulările de latex în comparație cu culturile de suspensie martor.Raportul dintre stiren și acrilat de butii este de 1:3 pentru latexul „dur” (H), 1:1 pentru „normal” (N) și 3:1 pentru „moale” (S).Numerele anterioare din codul de latex corespund conținutului de Texanol.(media ± abaterea standard; n = 3).
(a) Rata de fotosinteză aparentă (PS) și (b) randamentul cuantic PSII maxim (Fv/Fm) de Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A ca răspuns la formulările de latex în comparație cu culturile de suspensie martor.Raportul dintre stiren și acrilat de butii este de 1:3 pentru latexul „dur” (H), 1:1 pentru „normal” (N) și 3:1 pentru „moale” (S).Numerele anterioare din codul de latex corespund conținutului de Texanol.(media ± abaterea standard; n = 3).
Pentru S. elongatus PCC 7942, compoziția latexului și concentrația de Texanol nu au afectat PS în timp (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), deși compoziția a fost un factor important (GLM)., latex*timp, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Fig. 2a).Nu a existat un efect semnificativ al concentrației de Texanol în timp (GLM, Texanol*timp, DF=14, F=1,63, P=0,078).A existat o interacțiune semnificativă care afectează Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Interacțiunea dintre formularea de latex și concentrația de Texanol a avut un efect semnificativ asupra Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Fiecare parametru afectează, de asemenea, Fv/Fm în timp (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 și Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=<0,001).Latexul 12H a menținut cele mai scăzute valori medii PS și Fv/Fm (Fig. 2b), indicând faptul că acest polimer este mai toxic.
PS de S. elongatus CCAP 1479/1A a fost semnificativ diferit (GLM, latex * Texanol * timp, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), cu compoziția latexului mai degrabă decât concentrația de Texanol (GLM, Latex*time, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*timp, DF=14, F=1,26, P=0,239).Polimerii „moi” 0S și 4S au menținut niveluri ușor mai ridicate de performanță PS decât suspensiile de control (Mann-Whitney U, 0S față de martori, W = 686,0, P = 0,044, 4S față de controale, W = 713, P = 0,01) și au menținut un îmbunătățit Fv./Fm (Fig. 3a) arată un transport mai eficient către Fotosistemul II.Pentru valorile Fv/Fm ale celulelor CCAP 1479/1A, a existat o diferență semnificativă de latex în timp (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Figura 3b).).
Pe fig.4 prezintă media PS și Fv/Fm pe o perioadă de 7 zile ca o funcție a creșterii celulare pentru fiecare tulpină.S. elongatus PCC 7942 nu a avut un model clar (Fig. 4a și b), cu toate acestea, CCAP 1479/1A a arătat o relație parabolică între valorile PS (Fig. 4c) și Fv/Fm (Fig. 4d) ca fiind proporțiile de stiren și acrilat de butii cresc odată cu schimbarea.
Relația dintre creșterea și fotofiziologia Synechococcus longum pe preparatele din latex.(a) Datele de toxicitate reprezentate grafic în raport cu rata fotosintetică aparentă (PS), (b) randamentul cuantic maxim PSII (Fv/Fm) al PCC 7942. c Datele de toxicitate reprezentate în raport cu PS și d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Raportul dintre stiren și acrilat de butii este de 1:3 pentru latexul „dur” (H), 1:1 pentru „normal” (N) și 3:1 pentru „moale” (S).Numerele anterioare din codul de latex corespund conținutului de Texanol.(media ± abaterea standard; n = 3).
Biocompozitul PCC 7942 a avut un efect limitat asupra retenției celulare cu leșiere celulară semnificativă în primele patru săptămâni (Figura 5).După faza inițială de absorbție a CO2, celulele fixate cu latex 12 N au început să elibereze CO2, iar acest model a persistat între zilele 4 și 14 (Fig. 5b).Aceste date sunt în concordanță cu observațiile privind decolorarea pigmentului.Absorbția netă de CO2 a început din nou din ziua 18. În ciuda eliberării celulare (Fig. 5a), biocompozitul PCC 7942 12 N a acumulat încă mai mult CO2 decât suspensia de control timp de 28 de zile, deși ușor (testul Mann-Whitney U, W = 2275,5; P = 0,066).Viteza de absorbție a CO2 de către latexul 12 N și 4 N este de 0,51 ± 0,34 și 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 de biomasă d-1.A existat o diferență semnificativă statistic între nivelurile de tratament și timp (testul Chairer-Ray-Hare, tratament: DF=2, H=70,62, P=<0,001 timp: DF=13, H=23,63, P=0,034), dar nu a fost.a existat o relație semnificativă între tratament și timp (testul Chairer-Ray-Har, timp*tratament: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Teste de absorbție a CO2 pe jumătate de lot pe biocompozite Synechococcus elongatus PCC 7942 folosind latex 4N și 12N.(a) Imaginile arată eliberarea celulară și decolorarea pigmentului, precum și imagini SEM ale biocompozitului înainte și după testare.Liniile albe punctate indică locurile de depunere celulară pe biocompozit.(b) Absorbția netă cumulativă de CO2 pe o perioadă de patru săptămâni.Latexul „normal” (N) are un raport dintre stiren și acrilat de butii de 1:1.Numerele anterioare din codul de latex corespund conținutului de Texanol.(media ± abaterea standard; n = 3).
Retenția celulară a fost îmbunătățită semnificativ pentru tulpina CCAP 1479/1A cu 4S și 12S, deși pigmentul și-a schimbat încet culoarea în timp (Fig. 6a).Biocompozitul CCAP 1479/1A absoarbe CO2 timp de 84 de zile (12 săptămâni) fără suplimente nutritive suplimentare.Analiza SEM (Fig. 6a) a confirmat observația vizuală a detașării celulelor mici.Inițial, celulele au fost închise într-o acoperire de latex care și-a menținut integritatea în ciuda creșterii celulelor.Rata de absorbție a CO2 a fost semnificativ mai mare decât grupul martor (test Scheirer-Ray-Har, tratament: DF=2; H=240,59; P=<0,001, timp: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Fig. 6b).Biocompozitul 12S a atins cea mai mare absorbție de CO2 (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 biomasă pe zi), în timp ce latexul 4S a fost de 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 biomasă pe zi, dar nu s-au diferențiat semnificativ (Mann-Whitney U .test, W = 1507,50; P = 0,07) și nicio interacțiune semnificativă între tratament și timp (testul Shirer-Rey-Hara, timp * tratament: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Testare de absorbție a CO2 pe jumătate de lot folosind biocompozite Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A cu latex 4N și 12N.(a) Imaginile arată eliberarea celulară și decolorarea pigmentului, precum și imagini SEM ale biocompozitului înainte și după testare.Liniile albe punctate indică locurile de depunere celulară pe biocompozit.(b) Absorbția netă cumulativă de CO2 în perioada de douăsprezece săptămâni.Latexul „moale” (S) are un raport dintre stiren și acrilat de butii de 1:1.Numerele anterioare din codul de latex corespund conținutului de Texanol.(media ± abaterea standard; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (test Shirer-Ray-Har, timp*tratament: DF=4, H=3,243, P=0,518) sau biocompozit S. elongatus CCAP 1479/1A (două ANOVA, timp*tratament: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (Fig. S4).Biocompozitul PCC 7942 a avut cel mai mare conținut de carbohidrați în săptămâna 2 (4 N = 59,4 ± 22,5% în greutate, 12 N = 67,9 ± 3,3% în greutate, în timp ce suspensia de control a avut cel mai mare conținut de carbohidrați în săptămâna 4 când (control = 59,6 ± 2,84% în greutate). w/w).Conținutul total de carbohidrați al biocompozitului CCAP 1479/1A a fost comparabil cu suspensia martor, cu excepția începutului studiului, cu unele modificări în latexul 12S în săptămâna 4. Cele mai mari valori pentru biocompozit au fost 51,9 ± 9,6% în greutate. pentru 4S și 77,1 ± 17,0% în greutate pentru 12S.
Ne-am propus să demonstrăm posibilitățile de proiectare pentru îmbunătățirea integrității structurale a acoperirilor polimerice din latex cu film subțire ca o componentă importantă a conceptului de biocompozit imitativ de licheni, fără a sacrifica biocompatibilitatea sau performanța.Într-adevăr, dacă provocările structurale asociate creșterii celulelor sunt depășite, ne așteptăm la îmbunătățiri semnificative ale performanței față de biocompozitele noastre experimentale, care sunt deja comparabile cu alte sisteme de captare a carbonului de cianobacterii și microalge.
Acoperirile trebuie să fie netoxice, durabile, să susțină aderența celulară pe termen lung și trebuie să fie poroase pentru a promova transferul eficient de masă de CO2 și degazarea O2.Polimerii acrilici de tip latex sunt ușor de preparat și sunt utilizați pe scară largă în industria vopselei, textilelor și adezivilor30.Am combinat cianobacteriile cu o emulsie de polimer latex acrilic pe bază de apă polimerizată cu un raport specific de particule de stiren/butil acrilat și diferite concentrații de Texanol.Stirenul și acrilatul de butii au fost alese pentru a putea controla proprietățile fizice, în special elasticitatea și eficiența coalescenței acoperirii (critice pentru o acoperire puternică și foarte adezive), permițând sinteza agregatelor de particule „dure” și „moale”.Datele de toxicitate sugerează că latexul „dure” cu un conținut ridicat de stiren nu este favorabil supraviețuirii cianobacteriilor.Spre deosebire de acrilatul de butii, stirenul este considerat toxic pentru alge32,33.Tulpinile de cianobacterie au reacționat destul de diferit la latex, iar temperatura optimă de tranziție sticloasă (Tg) a fost determinată pentru S. elongatus PCC 7942, în timp ce S. elongatus CCAP 1479/1A a arătat o relație liniară negativă cu Tg.
Temperatura de uscare afectează capacitatea de a forma o peliculă de latex uniformă și continuă.Dacă temperatura de uscare este sub temperatura minimă de formare a filmului (MFFT), particulele de latex polimeric nu se vor coalesce complet, rezultând aderența doar la interfața particulelor.Filmele rezultate au aderență și rezistență mecanică slabe și pot fi chiar sub formă de pulbere29.MFFT este strâns legat de Tg, care poate fi controlat prin compoziția monomerului și adăugarea de coalescenți, cum ar fi Texanol.Tg determină multe dintre proprietățile fizice ale acoperirii rezultate, care pot fi într-o stare cauciucoasă sau sticloasă34.Conform ecuației Flory-Fox35, Tg depinde de tipul de monomer și de compoziția procentuală relativă.Adăugarea de coalescent poate scădea MFFT prin suprimarea intermitentă a Tg a particulelor de latex, ceea ce permite formarea peliculei la temperaturi mai scăzute, dar formează totuși un strat dur și puternic deoarece coalescentul se evaporă lent în timp sau a fost extras 36 .
Creșterea concentrației de Texanol promovează formarea peliculei prin înmuierea particulelor de polimer (reducerea Tg) datorită absorbției de către particule în timpul uscării, crescând astfel rezistența peliculei coezive și aderența celulară.Deoarece biocompozitul este uscat la temperatura ambiantă (~18–20°C), Tg (30 până la 55°C) a latexului „dur” este mai mare decât temperatura de uscare, ceea ce înseamnă că coalescența particulelor poate să nu fie optimă, rezultând în Filmele B care rămân vitroase, proprietăți mecanice și adezive slabe, elasticitate și difuzivitate limitate30 duc în cele din urmă la o pierdere mai mare de celule.Formarea peliculei din polimeri „normali” și „moi” are loc la sau sub Tg a peliculei polimerice, iar formarea filmului este îmbunătățită prin coalescență îmbunătățită, rezultând filme polimerice continue cu proprietăți mecanice, coezive și adezive îmbunătățite.Pelicula rezultată va rămâne cauciucoasă în timpul experimentelor de captare a CO2, deoarece Tg-ul său este aproape de (amestec „normal”: 12 până la 20 °C) sau mult mai scăzută (amestec (amestec „moale»: -21 până la -13 °C)) la temperatura ambiantă 30 .Latexul „dur” (3,4 până la 2,9 kgf mm–1) este de trei ori mai dur decât latexul „normal” (1,0 până la 0,9 kgf mm–1).Duritatea latexurilor „moale” nu poate fi măsurată prin microduritate din cauza cauciucității excesive și lipiciității lor la temperatura camerei.Sarcina de suprafață poate afecta, de asemenea, afinitatea de aderență, dar sunt necesare mai multe date pentru a oferi informații semnificative.Cu toate acestea, toate latexurile au reținut efectiv celulele, eliberând mai puțin de 1%.
Productivitatea fotosintezei scade în timp.Expunerea la polistiren duce la distrugerea membranei și la stres oxidativ38,39,40,41.Valorile Fv/Fm ale S. elongatus CCAP 1479/1A expuse la 0S și 4S au fost aproape de două ori mai mari în comparație cu controlul suspensiei, ceea ce este în bună concordanță cu rata de absorbție a CO2 a biocompozitului 4S, precum și cu valori medii mai scăzute PS.valorile.Valorile mai mari Fv/Fm indică faptul că transportul de electroni către PSII poate furniza mai mulți fotoni42, ceea ce poate duce la rate mai mari de fixare a CO2.Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că datele fotofiziologice au fost obținute din celule suspendate în soluții apoase de latex și ar putea să nu fie neapărat comparabile direct cu biocompozitele mature.
Dacă latexul creează o barieră în calea luminii și/sau a schimbului de gaze, rezultând în limitarea luminii și a CO2, acesta poate provoca stres celular și poate reduce performanța, iar dacă afectează eliberarea de O2, fotorespirația39.A fost evaluată transmisia luminii acoperirilor întărite: latexul „dur” a prezentat o scădere ușoară a transmisiei luminii între 440 și 480 nm (îmbunătățit parțial prin creșterea concentrației de Texanol datorită coalescenței îmbunătățite a peliculei), în timp ce „moale” și „regulat”. ” latexul a prezentat o ușoară scădere a transmisiei luminii.nu prezintă pierderi vizibile.Testele, precum și toate incubațiile, au fost efectuate la intensitate luminoasă scăzută (30,5 µmol m-2 s-1), astfel încât orice radiație activă fotosintetic datorată matricei polimerice va fi compensată și poate fi chiar utilă în prevenirea fotoinhibării.la intensităţi luminoase dăunătoare.
Biocompozitul CCAP 1479/1A a funcționat pe parcursul celor 84 de zile de testare, fără schimbare a nutrienților sau pierderi semnificative de biomasă, care este un obiectiv cheie al studiului.Depigmentarea celulelor poate fi asociată cu un proces de cloroză ca răspuns la înfometarea cu azot pentru a obține supraviețuirea pe termen lung (starea de repaus), care poate ajuta celulele să reia creșterea după ce s-a obținut o acumulare suficientă de azot.Imaginile SEM au confirmat că celulele au rămas în interiorul acoperirii în ciuda diviziunii celulare, demonstrând elasticitatea latexului „moale” și arătând astfel un avantaj clar față de versiunea experimentală.Latexul „moale” conține aproximativ 70% acrilat de butii (în greutate), care este mult mai mare decât concentrația declarată pentru o acoperire flexibilă după uscare44.
Absorbția netă de CO2 a fost semnificativ mai mare decât cea a suspensiei de control (de 14-20 și de 3-8 ori mai mare pentru S. elongatus CCAP 1479/1A și, respectiv, PCC 7942).Anterior, am folosit un model de transfer de masă de CO2 pentru a arăta că principalul motor al absorbției mari de CO2 este un gradient de concentrație ascuțit de CO2 la suprafața biocompozitului31 și că performanța biocompozitului poate fi limitată de rezistența la transferul de masă.Această problemă poate fi depășită prin încorporarea ingredientelor netoxice, care nu formează peliculă în latex pentru a crește porozitatea și permeabilitatea acoperirii26, dar retenția celulară poate fi compromisă deoarece această strategie va avea ca rezultat inevitabil un film mai slab20.Compoziția chimică poate fi modificată în timpul polimerizării pentru a crește porozitatea, care este cea mai bună opțiune, mai ales în ceea ce privește producția industrială și scalabilitatea45.
Performanța noului biocompozit în comparație cu studiile recente folosind biocompozite din microalge și cianobacterii au arătat avantaje în ajustarea ratei de încărcare a celulelor (Tabelul 1)21,46 și cu timpi de analiză mai lungi (84 de zile față de 15 ore46 și 3 săptămâni21).
Conținutul volumetric de carbohidrați din celule se compară favorabil cu alte studii47,48,49,50 care utilizează cianobacteriile și este utilizat ca un criteriu potențial pentru aplicațiile de captare și utilizare/recuperare a carbonului, cum ar fi pentru procesele de fermentație BECCS49,51 sau pentru producerea de substanțe biodegradabile. bioplastice52 .Ca parte a motivației acestui studiu, presupunem că împădurirea, chiar și considerată în conceptul de emisii negative BECCS, nu este un panaceu pentru schimbările climatice și consumă o parte alarmantă din terenul arabil din lume6.Ca experiment de gândire, s-a estimat că între 640 și 950 GtCO2 ar trebui eliminate din atmosferă până în 2100 pentru a limita creșterea temperaturii globale la 1,5°C53 (aproximativ 8 până la 12 GtCO2 pe an).Realizarea acestui lucru cu un biocompozit mai performant (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 biomasă pe an-1) ar necesita o extindere a volumului de la 5,5 × 1010 la 8,2 × 1010 m3 (cu eficiență fotosintetică comparabilă), care conține de la 196 la 2,92 miliarde de litri. polimer.Presupunând că 1 m3 de biocompozite ocupă 1 m2 de suprafață de teren, suprafața necesară pentru a absorbi CO2 total anual țintă va fi cuprinsă între 5,5 și 8,17 milioane de hectare, ceea ce echivalează cu 0,18-0,27% din adecvată pentru viața terenurilor din tropice și reduce suprafața uscată.nevoie de BECCS cu 98-99%.De remarcat faptul că raportul teoretic de captare se bazează pe absorbția de CO2 înregistrată la lumină slabă.De îndată ce biocompozitul este expus la o lumină naturală mai intensă, rata de absorbție a CO2 crește, reducând în continuare cerințele de teren și înclinând balanța spre conceptul de biocompozit.Cu toate acestea, implementarea trebuie să fie la ecuator pentru intensitatea și durata constantă a luminii de fundal.
Efectul global al fertilizării cu CO2, adică creșterea productivității vegetației cauzată de disponibilitatea crescută a CO2, a scăzut pe majoritatea suprafețelor de teren, probabil din cauza modificărilor nutrienților cheie ai solului (N și P) și a resurselor de apă7.Aceasta înseamnă că fotosinteza terestră nu poate duce la o creștere a absorbției de CO2, în ciuda concentrațiilor ridicate de CO2 în aer.În acest context, strategiile de atenuare a schimbărilor climatice de la sol, cum ar fi BECCS, sunt și mai puțin probabil să reușească.Dacă acest fenomen global este confirmat, biocompozitul nostru inspirat de lichen ar putea fi un atu-cheie, transformând microbii fotosintetici acvatici unicelulari în „agenți de bază”.Majoritatea plantelor terestre fixează CO2 prin fotosinteza C3, în timp ce plantele C4 sunt mai favorabile habitatelor mai calde și mai uscate și sunt mai eficiente la presiuni parțiale mai mari ale CO254.Cianobacteriile oferă o alternativă care ar putea compensa previziunile alarmante privind expunerea redusă la dioxid de carbon în plantele C3.Cianobacteriile au depășit limitările fotorespiratorii prin dezvoltarea unui mecanism eficient de îmbogățire cu carbon în care presiunile parțiale mai mari de CO2 sunt prezentate și menținute de ribuloză-1,5-bifosfat carboxilază/oxigenază (RuBisCo) în carboxizomii din jur.Dacă producția de biocompozite cianobacteriene poate fi crescută, aceasta ar putea deveni o armă importantă pentru omenire în lupta împotriva schimbărilor climatice.
Biocompozitele (mimice de lichen) oferă avantaje clare față de culturile convenționale de suspensie de microalge și cianobacterie, oferind rate mai mari de absorbție a CO2, minimizând riscurile de poluare și promițând evitarea competitivă a CO2.Costurile reduc semnificativ utilizarea pământului, a apei și a nutrienților56.Acest studiu demonstrează fezabilitatea dezvoltării și fabricării unui latex biocompatibil de înaltă performanță care, atunci când este combinat cu un burete de lufa ca substrat candidat, poate asigura o absorbție eficientă și eficientă de CO2 pe parcursul lunilor de intervenție chirurgicală, menținând în același timp pierderea de celule la minimum.Biocompozitele ar putea capta, teoretic, aproximativ 570 t CO2 t-1 de biomasă pe an și se pot dovedi a fi mai importante decât strategiile de împădurire BECCS în răspunsul nostru la schimbările climatice.Cu o optimizare suplimentară a compoziției polimerului, testarea la intensități luminoase mai mari și combinată cu inginerie metabolică elaborată, biogeoinginerii originali ai naturii pot veni din nou în ajutor.
Polimerii latex acrilici au fost preparați folosind un amestec de monomeri de stiren, acrilat de butii și acid acrilic, iar pH-ul a fost ajustat la 7 cu hidroxid de sodiu 0,1 M (tabelul 2).Stirenul și acrilatul de butii formează cea mai mare parte a lanțurilor polimerice, în timp ce acidul acrilic ajută la menținerea particulelor de latex în suspensie57.Proprietățile structurale ale latexului sunt determinate de temperatura de tranziție sticloasă (Tg), care este controlată prin modificarea raportului dintre stiren și acrilat de butii, care oferă proprietăți „dure” și, respectiv, „moale”58.Un polimer latex acrilic tipic este 50:50 stiren:butil acrilat 30, astfel încât în acest studiu latexul cu acest raport a fost denumit latex „normal”, iar latexul cu un conținut mai mare de stiren a fost denumit latex cu un conținut mai scăzut de stiren. .numit „moale” ca „dur”.
O emulsie primară a fost preparată folosind apă distilată (174 g), bicarbonat de sodiu (0,5 g) și surfactant Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) pentru a stabiliza cele 30 de picături de monomer.Folosind o seringă de sticlă (Science Glass Engineering) cu o pompă cu seringă, o alicotă secundară care conține stiren, acrilat de butii și acid acrilic enumerate în Tabelul 2 a fost adăugată prin picurare la o viteză de 100 ml h-1 la emulsia primară timp de 4 ore (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Se prepară o soluție de inițiator de polimerizare 59 folosind dHO și persulfat de amoniu (100 ml, 3% g/g).
Se amestecă soluția care conține dHO (206 g), bicarbonat de sodiu (1 g) și Rhodapex Ab/20 (4,42 g) folosind un agitator superior (Heidolph Hei-TORQUE valoarea 100) cu o elice din oțel inoxidabil și se încălzește la 82°C într-un vas cu manta de apa intr-o baie de apa incalzita VWR Scientific 1137P.O soluţie cu greutate redusă de monomer (28,21 g) şi iniţiator (20,60 g) a fost adăugată prin picurare la vasul cu manta şi agitată timp de 20 de minute.Amestecați viguros soluțiile de monomer (150 ml h-1) și inițiator (27 ml h-1) rămase pentru a menține particulele în suspensie până când sunt adăugate în manta de apă timp de 5 ore folosind seringi de 10 ml și, respectiv, 100 ml într-un recipient. .completat cu o pompă cu seringă.Viteza agitatorului a fost crescută datorită creșterii volumului de suspensie pentru a asigura reținerea suspensiei.După adăugarea iniţiatorului şi a emulsiei, temperatura de reacţie a fost ridicată la 85°C, s-a agitat bine la 450 rpm timp de 30 minute, apoi s-a răcit la 65°C.După răcire, la latex s-au adăugat două soluții de deplasare: hidroperoxid de terț-butil (t-BHP) (70% în apă) (5 g, 14% în greutate) și acid izoascorbic (5 g, 10% în greutate)..Adăugați t-BHP picătură cu picătură și lăsați timp de 20 de minute.Acidul eritorbic a fost apoi adăugat cu o viteză de 4 ml/h dintr-o seringă de 10 ml folosind o pompă cu seringă.Soluţia de latex a fost apoi răcită la temperatura camerei şi ajustată la pH 7 cu hidroxid de sodiu 0,1 M.
Monoizobutirat de 2,2,4-trimetil-1,3-pentandiol (Texanol) – coalescent biodegradabil cu toxicitate scăzută pentru vopsele latex 37,60 – a fost adăugat cu o seringă și pompă în trei volume (0, 4, 12% v/v) ca agent de coalescere pentru amestecul de latex pentru a facilita formarea peliculei în timpul uscării37.Procentul de solide de latex a fost determinat prin plasarea a 100 ui din fiecare polimer în capace din folie de aluminiu pre-cântărit și uscare într-un cuptor la 100°C timp de 24 de ore.
Pentru transmiterea luminii, fiecare amestec de latex a fost aplicat pe o lamă de microscop folosind un cub de picătură din oțel inoxidabil calibrat pentru a produce filme de 100 um și uscat la 20°C timp de 48 de ore.Transmisia luminii (concentrată pe radiația activă fotosintetic, λ 400–700 nm) a fost măsurată pe un spectroradiometru ILT950 SpectriLight cu un senzor la o distanță de 35 cm de o lampă fluorescentă de 30 W (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – unde lumina sursa a fost cianobacteriile și organisme Materialele compozite sunt conservate.Versiunea 3.5 a software-ului SpectrILight III a fost utilizată pentru a înregistra iluminarea și transmisia în intervalul λ 400–700 nm61.Toate probele au fost plasate deasupra senzorului și au fost folosite lamele de sticlă neacoperite ca martori.
Probele de latex au fost adăugate într-o tavă de copt din silicon și lăsate să se usuce timp de 24 de ore înainte de a fi testate pentru duritate.Puneți proba de latex uscată pe un capac de oțel sub un microscop x10.După focalizare, probele au fost evaluate pe un tester de microduritate Buehler Micromet II.Proba a fost supusă unei forțe de 100 până la 200 de grame și timpul de încărcare a fost setat la 7 secunde pentru a crea o adâncitură de diamant în probă.Imprimarea a fost analizată folosind un obiectiv de microscop Bruker Alicona × 10 cu software suplimentar de măsurare a formei.Formula durității Vickers (Ecuația 1) a fost utilizată pentru a calcula duritatea fiecărui latex, unde HV este numărul Vickers, F este forța aplicată și d este media diagonalelor indentării calculate din înălțimea și lățimea latexului.valoarea indentării.Latexul „moale” nu poate fi măsurat din cauza aderenței și întinderii în timpul testului de indentare.
Pentru a determina temperatura de tranziție sticloasă (Tg) a compoziției de latex, probele de polimer au fost plasate în vase cu silicagel, uscate timp de 24 de ore, cântărite până la 0,005 g și plasate în vase cu mostre.Vasul a fost acoperit și plasat într-un colorimetru cu scanare diferențială (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, software de analiză a datelor Pyris)62.Metoda fluxului de căldură este utilizată pentru a plasa pahare de referință și cupe de probă în același cuptor cu o sondă de temperatură încorporată pentru a măsura temperatura.Au fost folosite în total două rampe pentru a crea o curbă consistentă.Metoda probei a fost crescută în mod repetat de la -20°C la 180°C la o viteză de 20°C pe minut.Fiecare punct de început și de final este stocat timp de 1 minut pentru a ține cont de decalajul de temperatură.
Pentru a evalua capacitatea biocompozitului de a absorbi CO2, probele au fost pregătite și testate în același mod ca în studiul nostru anterior31.Laveta uscată și autoclavată a fost tăiată în benzi de aproximativ 1 x 1 x 5 cm și cântărită.Aplicați 600 µl din cele două bioacoperiri cele mai eficiente ale fiecărei tulpini de cianobacterie la un capăt al fiecărei benzi de lufa, acoperind aproximativ 1 × 1 × 3 cm și uscați la întuneric la 20°C timp de 24 de ore.Datorită structurii macroporoase a lufa, o parte din formulă a fost irosită, astfel încât eficiența de încărcare a celulelor nu a fost de 100%.Pentru a depăși această problemă, greutatea preparatului uscat pe lufa a fost determinată și normalizată la preparatul uscat de referință.În mod similar, au fost preparate controale abiotice constând din lufa, latex și mediu nutritiv steril.
Pentru a efectua un test de absorbție a CO2 pe jumătate, plasați biocompozitul (n = 3) într-un tub de sticlă de 50 ml, astfel încât un capăt al biocompozitului (fără bioacoperire) să fie în contact cu 5 ml de mediu de creștere, permițând nutrientului să fi transportat prin acțiune capilară..Sticla este sigilată cu un dop de cauciuc butilic cu diametrul de 20 mm și sertizat cu un capac din aluminiu argintiu.Odată sigilat, injectați 45 ml de 5% CO2/aer cu un ac steril atașat la o seringă etanșă la gaz.Densitatea celulară a suspensiei de control (n = 3) a fost echivalentă cu încărcarea celulară a biocompozitului din mediul nutritiv.Testele au fost efectuate la 18 ± 2 °C cu o fotoperioadă de 16:8 și o fotoperioadă de 30,5 µmol m-2 s-1.Spațiul capului a fost îndepărtat la fiecare două zile cu o seringă etanșă la gaz și analizat cu un contor de CO2 cu absorbție în infraroșu GEOTech G100 pentru a determina procentul de CO2 absorbit.Adăugați un volum egal de amestec gazos CO2.
% CO2 Fix se calculează după cum urmează: % CO2 Fix = 5% (v/v) – scrieți %CO2 (ecuația 2) unde P = presiune, V = volum, T = temperatură și R = constanta gazului ideal.
Ratele raportate de absorbție a CO2 pentru suspensiile martor de cianobacterii și biocompozite au fost normalizate la controale non-biologice.Unitatea funcțională a biomasei g este cantitatea de biomasă uscată imobilizată pe cârpă.Se determină prin cântărirea probelor de lufa înainte și după fixarea celulelor.Contabilizarea masei de încărcare celulară (echivalent biomasă) prin cântărirea individuală a preparatelor înainte și după uscare și prin calcularea densității preparatului celular (ecuația 3).Se presupune că preparatele celulare sunt omogene în timpul fixării.
Minitab 18 și Microsoft Excel cu programul de completare RealStatistics au fost folosite pentru analiza statistică.Normalitatea a fost testată folosind testul Anderson-Darling, iar egalitatea varianțelor a fost testată folosind testul Levene.Datele care satisfac aceste ipoteze au fost analizate utilizând analiza bidirecțională a varianței (ANOVA) cu testul Tukey ca analiză post-hoc.Datele bidirecționale care nu au îndeplinit ipotezele de normalitate și varianță egală au fost analizate folosind testul Shirer-Ray-Hara și apoi testul U Mann-Whitney pentru a determina semnificația între tratamente.Modelele mixte liniare generalizate (GLM) au fost utilizate pentru date non-normale cu trei factori, unde datele au fost transformate folosind transformarea Johnson63.Au fost efectuate corelații de moment ale produselor Pearson pentru a evalua relația dintre concentrația de Texanol, temperatura de tranziție sticloasă și toxicitatea latexului și datele de aderență.
Ora postării: 05-ian-2023