Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju pretraživača sa ograničenom podrškom za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite dugmad Prethodno i Sljedeće da se krećete kroz tri slajda odjednom ili koristite dugmad klizača na kraju da se krećete kroz tri slajda odjednom.
Hvatanje i skladištenje ugljika su od suštinskog značaja za postizanje ciljeva Pariškog sporazuma.Fotosinteza je prirodna tehnologija za hvatanje ugljika.Crpeći inspiraciju iz lišajeva, razvili smo fotosintetski biokompozit 3D cijanobakterija (tj. oponašajući lišaj) koristeći akrilni lateks polimer nanesen na spužvu lufe.Stopa uzimanja CO2 biokompozitom bila je 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 biomase d-1.Stopa unosa se temelji na suhoj biomasi na početku eksperimenta i uključuje CO2 koji se koristi za uzgoj nove biomase, kao i CO2 sadržan u spojevima za skladištenje kao što su ugljikohidrati.Ove stope apsorpcije bile su 14-20 puta veće od mjera kontrole gnojnice i potencijalno bi se mogle povećati do hvatanja 570 t CO2 t-1 biomase godišnje-1, što je ekvivalentno 5,5-8,17 × 106 hektara korištenja zemljišta, uklanjajući 8-12 GtCO2 CO2 godišnje.Nasuprot tome, šumska bioenergija sa hvatanjem i skladištenjem ugljika iznosi 0,4–1,2 × 109 ha.Biokompozit je ostao funkcionalan 12 sedmica bez dodatnih nutrijenata ili vode, nakon čega je eksperiment prekinut.U okviru višestrukog tehnološkog stava čovječanstva u borbi protiv klimatskih promjena, dizajnirani i optimizirani cijanobakterijski biokompoziti imaju potencijal za održivo i skalabilno korištenje kako bi se povećalo uklanjanje CO2 uz smanjenje gubitaka vode, hranjivih tvari i zemljišta.
Klimatske promjene su stvarna prijetnja globalnoj biodiverzitetu, stabilnosti ekosistema i ljudima.Da bi se ublažili njeni najgori efekti, potrebni su koordinirani i obimni programi dekarbonizacije i, naravno, potreban je neki oblik direktnog uklanjanja stakleničkih plinova iz atmosfere.Uprkos pozitivnoj dekarbonizaciji proizvodnje električne energije2,3, trenutno ne postoje ekonomski održiva tehnološka rješenja za smanjenje atmosferskog ugljičnog dioksida (CO2)4, iako zahvatanje dimnih plinova napreduje5.Umjesto skalabilnih i praktičnih inženjerskih rješenja, ljudi bi se trebali obratiti prirodnim inženjerima za hvatanje ugljika – fotosintetičkim organizmima (fototrofnim organizmima).Fotosinteza je prirodna tehnologija sekvestracije ugljika, ali njena sposobnost da preokrene antropogeno obogaćivanje ugljikom na značajnim vremenskim skalama je upitna, enzimi su neefikasni, a njena sposobnost da se rasporedi u odgovarajućim razmjerima je upitna.Potencijalni put za fototrofiju je pošumljavanje, koje seče stabla za bioenergiju uz hvatanje i skladištenje ugljika (BECCS) kao tehnologiju negativnih emisija koja može pomoći u smanjenju neto emisije CO21.Međutim, da bi se postigao temperaturni cilj Pariškog sporazuma od 1,5°C koristeći BECCS kao glavnu metodu, bilo bi potrebno 0,4 do 1,2 × 109 ha, što je ekvivalentno 25–75% trenutnog globalnog obradivog zemljišta6.Osim toga, neizvjesnost povezana s globalnim efektima gnojidbe CO2 dovodi u pitanje potencijalnu ukupnu efikasnost šumskih plantaža7.Ako želimo postići temperaturne ciljeve postavljene Pariškim sporazumom, 100 sekundi GtCO2 stakleničkih plinova (GGR) mora se ukloniti iz atmosfere svake godine.Ministarstvo za istraživanje i inovacije Ujedinjenog Kraljevstva nedavno je objavilo finansiranje za pet GGR8 projekata, uključujući upravljanje tresetištem, poboljšano trošenje kamenja, sadnju drveća, biougljevlje i višegodišnje usjeve za hranjenje BECCS procesa.Troškovi uklanjanja više od 130 MtCO2 iz atmosfere godišnje su 10-100 US$/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 godišnje za obnovu tresetišta, 52-480 US$/tCO2 i 12-27 MtCO2 godišnje za trošenje stijena , 0,4-30 USD/god.tCO2, 3,6 MtCO2/god, 1% povećanje šumske površine, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/god, biouglje, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 godišnje za trajne usjeve koji koriste BECCS9.
Kombinacija ovih pristupa potencijalno bi mogla dostići cilj od 130 Mt CO2 godišnje, ali troškovi trošenja stijena i BECCS-a su visoki, a biouglje, iako relativno jeftin i nije povezan s korištenjem zemljišta, zahtijeva sirovinu za proces proizvodnje biouglja.nudi ovaj razvoj i broj za implementaciju drugih GGR tehnologija.
Umjesto da tražite rješenja na kopnu, potražite vodu, posebno jednostanične fototrofe kao što su mikroalge i cijanobakterije10.Alge (uključujući cijanobakterije) zahvataju otprilike 50% svjetskog ugljičnog dioksida, iako čine samo 1% svjetske biomase11.Cijanobakterije su izvorni prirodni biogeoinženjeri, koji postavljaju temelje za respiratorni metabolizam i evoluciju višećelijskog života putem fotosinteze kisikom12.Ideja korištenja cijanobakterija za hvatanje ugljika nije nova, ali inovativne metode fizičkog postavljanja otvaraju nove horizonte za ove drevne organizme.
Otvoreni ribnjaci i fotobioreaktori su podrazumevana imovina kada se mikroalge i cijanobakterije koriste u industrijske svrhe.Ovi sistemi kulture koriste kulturu suspenzije u kojoj ćelije slobodno lebde u medijumu za rast14;međutim, ribnjaci i fotobioreaktori imaju mnoge nedostatke kao što su loš prijenos mase CO2, intenzivno korištenje zemlje i vode, podložnost biološkom obraštanju i visoki troškovi izgradnje i rada15,16.Biofilmski bioreaktori koji ne koriste suspenzijske kulture su ekonomičniji u pogledu vode i prostora, ali su izloženi riziku od oštećenja od isušivanja, skloni odvajanju biofilma (a time i gubitku aktivne biomase), a podjednako su skloni bioobraštanju17.
Potrebni su novi pristupi kako bi se povećala stopa apsorpcije CO2 i riješili problemi koji ograničavaju reaktore sa suspenzijom i biofilmom.Jedan od takvih pristupa su fotosintetski biokompoziti inspirisani lišajevima.Lišajevi su kompleks gljiva i fotobionta (mikroalge i/ili cijanobakterija) koji pokrivaju otprilike 12% Zemljine površine18.Gljive pružaju fizičku podršku, zaštitu i sidrenje fotobiotičkog supstrata, koji zauzvrat obezbjeđuje gljivama ugljik (kao višak fotosintetskih proizvoda).Predloženi biokompozit je „mimetik lišaja“, u kojem je koncentrirana populacija cijanobakterija imobilizirana u obliku tanke bioprevlake na supstratu nosača.Osim ćelija, biopremaz sadrži polimerni matriks koji može zamijeniti gljivicu.Polimerne emulzije na bazi vode ili „lateksi” su preferirani jer su biokompatibilni, izdržljivi, jeftini, laki za rukovanje i komercijalno dostupni19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Na fiksaciju ćelija lateks polimerima u velikoj meri utiče sastav lateksa i proces stvaranja filma.Emulzijska polimerizacija je heterogen proces koji se koristi za proizvodnju sintetičke gume, ljepljivih premaza, zaptivnih masa, aditiva za beton, papirnih i tekstilnih premaza i lateks boja27.Ima niz prednosti u odnosu na druge metode polimerizacije, kao što su visoka brzina reakcije i efikasnost konverzije monomera, kao i lakoća kontrole proizvoda27,28.Izbor monomera zavisi od željenih svojstava rezultujućeg polimernog filma, a za mešovite monomerne sisteme (tj. kopolimerizacije), svojstva polimera se mogu menjati odabirom različitih odnosa monomera koji formiraju rezultujući polimerni materijal.Butil akrilat i stiren su među najčešćim monomerima akrilnog lateksa i ovdje se koriste.Osim toga, agensi za spajanje (npr. Texanol) se često koriste za promicanje ravnomjernog formiranja filma gdje mogu promijeniti svojstva polimernog lateksa kako bi proizveli jak i “kontinuiran” (koalescentni) premaz.U našoj početnoj studiji dokazivanja koncepta, 3D biokompozit velike površine i visoke poroznosti proizveden je korištenjem komercijalne lateks boje nanesene na spužvu od lufe.Nakon dugih i kontinuiranih manipulacija (osam sedmica), biokompozit je pokazao ograničenu sposobnost zadržavanja cijanobakterija na skeli lufe jer je rast ćelija oslabio strukturni integritet lateksa.U trenutnoj studiji, imali smo za cilj razviti seriju akrilnih lateks polimera poznate kemije za kontinuiranu upotrebu u aplikacijama za hvatanje ugljika bez žrtvovanja degradacije polimera.Time smo pokazali sposobnost stvaranja polimernih matričnih elemenata nalik lišajevima koji pružaju poboljšane biološke performanse i značajno povećanu mehaničku elastičnost u odnosu na dokazane biokompozite.Daljnja optimizacija će ubrzati usvajanje biokompozita za hvatanje ugljika, posebno u kombinaciji s cijanobakterijama koje su metabolički modificirane radi poboljšanja sekvestracije CO2.
Devet lateksa sa tri polimerne formulacije (H = "tvrdo", N = "normalno", S = "meko") i tri tipa Texanol (0, 4, 12% v/v) testirano je na toksičnost i korelaciju soja.Ljepilo.od dvije cijanobakterije.Tip lateksa značajno je uticao na S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Hare test, lateks: DF=2, H=23,157, P=<0,001) i CCAP 1479/1A (dvosmjerna ANOVA, lateks: DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (Sl. 1a).Koncentracija teksanola nije značajno uticala na rast S. elongatus PCC 7942, samo je N-lateks bio netoksičan (slika 1a), a 0 N i 4 N održavale su rast od 26% odnosno 35% (Mann- Whitney U, 0 N naspram 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N naspram kontrole: W = 25,0, P = 0,061; 4 N naspram kontrole: W = 25,0, P = 0,061) i 12 N zadržali rast uporediv biološkoj kontroli (Univerzitet Mann-Whitney, 12 N naspram kontrole: W = 17,0, P = 0,885).Za S. elongatus CCAP 1479/1A, i mješavina lateksa i koncentracija teksanola su bili važni faktori, a uočena je značajna interakcija između njih (dvosmjerna ANOVA, lateks: 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 i svi “meki” lateksi su podsticali rast (slika 1a).Postoji tendencija poboljšanja rasta sa smanjenjem sastava stirena.
Ispitivanje toksičnosti i adhezije cijanobakterija (Synechococcus elongatus PCC 7942 i CCAP 1479/1A) na formulacije lateksa, odnos sa temperaturom staklastog prelaza (Tg) i matrica za odlučivanje na osnovu podataka o toksičnosti i adheziji.(a) Ispitivanje toksičnosti je izvršeno korištenjem odvojenih dijagrama procenta rasta cijanobakterija normaliziranih za kontrolu suspenzijskih kultura.Tretmani označeni sa * značajno se razlikuju od kontrolnih.(b) Podaci o rastu cijanobakterija u odnosu na Tg lateks (srednja vrijednost ± SD; n = 3).(c) Kumulativni broj cijanobakterija oslobođenih iz testa adhezije biokompozita.(d) Podaci o adheziji u odnosu na Tg lateksa (srednja vrijednost ± StDev; n = 3).e Matrica odluke zasnovana na podacima o toksičnosti i adheziji.Odnos stirena i butil akrilata je 1:3 za “tvrdi” (H) lateks, 1:1 za “normalan” (N) i 3:1 za “meki” (S).Prethodni brojevi u kodu od lateksa odgovaraju sadržaju Texanola.
U većini slučajeva, vitalnost ćelija se smanjivala sa povećanjem koncentracije teksanola, ali nije bilo značajne korelacije ni za jedan od sojeva (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 odnos između rasta ćelije i temperature staklastog prijelaza (Tg).Postoji jaka negativna korelacija između koncentracije teksanola i vrijednosti Tg (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).Podaci su pokazali da je optimalni Tg za rast S. elongatus PCC 7942 bio oko 17 °C (Slika 1b), dok je S. elongatus CCAP 1479/1A favorizirao Tg ispod 0 °C (Slika 1b).Samo S. elongatus CCAP 1479/1A imao je jaku negativnu korelaciju između Tg i podataka o toksičnosti (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Svi lateksi su imali dobar adhezioni afinitet, a nijedan od njih nije oslobodio više od 1% ćelija nakon 72 h (slika 1c).Nije bilo značajne razlike između lateksa dva soja S. elongatus (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara test, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- Ray test).– Hare test, lateks*teksanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).Kako se koncentracija Texanola povećava, oslobađa se više ćelija (slika 1c).u poređenju sa S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Slika 1d).Nadalje, nije bilo statističke veze između Tg i ćelijske adhezije dva soja (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Za oba soja, “tvrdi” lateks polimeri su bili neefikasni.Nasuprot tome, 4N i 12N su se najbolje pokazali protiv S. elongatus PCC 7942, dok su 4S i 12S bili najbolji protiv CCAP 1479/1A (slika 1e), iako jasno postoji prostor za dalju optimizaciju polimerne matrice.Ovi polimeri su korišteni u poluserijskim testovima neto apsorpcije CO2.
Fotofiziologija je praćena 7 dana korišćenjem ćelija suspendovanih u vodenoj kompoziciji lateksa.Općenito, i prividna stopa fotosinteze (PS) i maksimalni kvantni prinos PSII (Fv/Fm) opadaju s vremenom, ali ovo smanjenje je neujednačeno i neki skupovi PS podataka pokazuju dvofazni odgovor, sugerirajući djelomični odgovor, iako oporavak u stvarnom vremenu kraća aktivnost PS (sl. 2a i 3b).Dvofazni Fv/Fm odgovor je bio manje izražen (slike 2b i 3b).
(a) Prividna stopa fotosinteze (PS) i (b) maksimalni kvantni prinos PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus PCC 7942 kao odgovor na formulacije lateksa u poređenju sa kontrolnim suspenzijskim kulturama.Odnos stirena i butil akrilata je 1:3 za “tvrdi” (H) lateks, 1:1 za “normalan” (N) i 3:1 za “meki” (S).Prethodni brojevi u kodu od lateksa odgovaraju sadržaju Texanola.(srednja vrijednost ± standardna devijacija; n = 3).
(a) Prividna stopa fotosinteze (PS) i (b) maksimalni kvantni prinos PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A kao odgovor na formulacije lateksa u poređenju sa kontrolnim suspenzijskim kulturama.Odnos stirena i butil akrilata je 1:3 za “tvrdi” (H) lateks, 1:1 za “normalan” (N) i 3:1 za “meki” (S).Prethodni brojevi u kodu od lateksa odgovaraju sadržaju Texanola.(srednja vrijednost ± standardna devijacija; n = 3).
Za S. elongatus PCC 7942, sastav lateksa i koncentracija Texanola nisu uticali na PS tokom vremena (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), iako je sastav bio važan faktor (GLM)., lateks*vrijeme, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Sl. 2a).Nije bilo značajnog efekta koncentracije Texanola tokom vremena (GLM, Texanol*vreme, DF=14, F=1,63, P=0,078).Postojala je značajna interakcija koja utiče na Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Interakcija između formulacije lateksa i koncentracije Texanola imala je značajan uticaj na Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Svaki parametar takođe utiče na Fv/Fm tokom vremena (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 i Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=< 0,001).Latex 12H je zadržao najniže prosječne vrijednosti PS i Fv/Fm (slika 2b), što ukazuje da je ovaj polimer toksičniji.
PS S. elongatus CCAP 1479/1A se značajno razlikovao (GLM, lateks * Texanol * vrijeme, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), sa sastavom lateksa umjesto koncentracije Texanola (GLM, Latex*vrijeme, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*vreme, DF=14, F=1,26, P=0,239).“Meki” polimeri 0S i 4S zadržali su nešto viši nivo PS performansi od kontrolnih suspenzija (Mann-Whitney U, 0S naspram kontrola, W = 686,0, P = 0,044, 4S naspram kontrola, W = 713, P = 0,01) i zadržali poboljšana Fv./Fm (slika 3a) pokazuje efikasniji transport do Photosystem II.Za Fv/Fm vrijednosti ćelija CCAP 1479/1A, postojala je značajna razlika u lateksu tokom vremena (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Slika 3b).).
Na sl.4 prikazuje prosječne PS i Fv/Fm tokom perioda od 7 dana kao funkciju rasta ćelija za svaki soj.S. elongatus PCC 7942 nije imao jasan obrazac (sl. 4a i b), međutim, CCAP 1479/1A je pokazao parabolički odnos između PS (slika 4c) i Fv/Fm (sl. 4d) vrijednosti kao omjeri stirena i butil akrilata rastu s promjenom.
Odnos rasta i fotofiziologije Synechococcus longum na preparatima od lateksa.(a) Podaci o toksičnosti nacrtani u odnosu na prividnu stopu fotosinteze (PS), (b) maksimalni kvantni prinos PSII (Fv/Fm) PCC 7942. c Podaci o toksičnosti u odnosu na PS i d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Odnos stirena i butil akrilata je 1:3 za “tvrdi” (H) lateks, 1:1 za “normalan” (N) i 3:1 za “meki” (S).Prethodni brojevi u kodu od lateksa odgovaraju sadržaju Texanola.(srednja vrijednost ± standardna devijacija; n = 3).
Biokompozit PCC 7942 imao je ograničen efekat na zadržavanje ćelija sa značajnim ispiranjem ćelija tokom prve četiri nedelje (Slika 5).Nakon početne faze unosa CO2, ćelije fiksirane sa 12 N lateksom počele su da oslobađaju CO2, a ovaj obrazac je trajao između 4. i 14. dana (slika 5b).Ovi podaci su u skladu s opažanjima promjene boje pigmenta.Neto unos CO2 ponovo je počeo od 18. dana. Uprkos oslobađanju ćelija (slika 5a), biokompozit PCC 7942 12 N je i dalje akumulirao više CO2 od kontrolne suspenzije tokom 28 dana, iako neznatno (Mann-Whitney U-test, W = 2275,5; P = 0,066).Brzina apsorpcije CO2 lateksom 12 N i 4 N iznosi 0,51 ± 0,34 i 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 biomase d-1.Postojala je statistički značajna razlika između nivoa tretmana i vremena (Chairer-Ray-Hare test, tretman: DF=2, H=70,62, P=<0,001 vrijeme: DF=13, H=23,63, P=0,034), ali nije bio.postojala je značajna veza između tretmana i vremena (Chairer-Ray-Har test, vrijeme*tretman: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Poluserijski testovi upijanja CO2 na biokompozitima Synechococcus elongatus PCC 7942 koristeći 4N i 12N lateks.(a) Slike pokazuju otpuštanje ćelija i promjenu boje pigmenta, kao i SEM slike biokompozita prije i nakon testiranja.Bijele isprekidane linije označavaju mjesta taloženja ćelija na biokompozitu.(b) Kumulativno neto unos CO2 u periodu od četiri sedmice.“Normalni” (N) lateks ima omjer stirena i butil akrilata 1:1.Prethodni brojevi u kodu od lateksa odgovaraju sadržaju Texanola.(srednja vrijednost ± standardna devijacija; n = 3).
Zadržavanje ćelija je značajno poboljšano za soj CCAP 1479/1A sa 4S i 12S, iako je pigment polako menjao boju tokom vremena (slika 6a).Biokompozit CCAP 1479/1A apsorbuje CO2 puna 84 dana (12 nedelja) bez dodatnih dodataka ishrani.SEM analiza (slika 6a) potvrdila je vizuelno posmatranje odvajanja malih ćelija.U početku, ćelije su bile obložene premazom od lateksa koji je zadržao svoj integritet uprkos rastu ćelija.Stopa uzimanja CO2 bila je značajno veća od kontrolne grupe (Scheirer-Ray-Har test, tretman: DF=2; H=240,59; P=<0,001, vrijeme: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Slika 6b).12S biokompozit je postigao najveći unos CO2 (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 biomase dnevno), dok je 4S lateks bio 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 biomase dnevno, ali se nisu značajno razlikovali (Mann-Whitney U .test, W = 1507,50; P = 0,07) i bez značajne interakcije između tretmana i vremena (Shirer-Rey-Hara test, vrijeme * tretman: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Testiranje unosa CO2 od pola serije korištenjem Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A biokompozita sa 4N i 12N lateksom.(a) Slike pokazuju otpuštanje ćelija i promjenu boje pigmenta, kao i SEM slike biokompozita prije i nakon testiranja.Bijele isprekidane linije označavaju mjesta taloženja ćelija na biokompozitu.(b) Kumulativno neto unos CO2 u periodu od dvanaest sedmica.“Meki” (S) lateks ima omjer stirena i butil akrilata 1:1.Prethodni brojevi u kodu od lateksa odgovaraju sadržaju Texanola.(srednja vrijednost ± standardna devijacija; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Har test, vrijeme*tretman: DF=4, H=3,243, P=0,518) ili biokompozit S. elongatus CCAP 1479/1A (dva-ANOVA, vrijeme*tretman: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (Sl. S4).Biokompozit PCC 7942 imao je najveći sadržaj ugljikohidrata u 2. sedmici (4 N = 59,4 ± 22,5 tež%, 12 N = 67,9 ± 3,3 tež%), dok je kontrolna suspenzija imala najveći sadržaj ugljikohidrata u 4. sedmici kada (kontrola = 59,6 ± 2,84 %). w/w).Ukupni sadržaj ugljikohidrata u biokompozitu CCAP 1479/1A bio je uporediv sa kontrolnom suspenzijom osim na početku ispitivanja, uz određene promjene u 12S lateksu u 4. sedmici. Najveće vrijednosti za biokompozit bile su 51,9 ± 9,6 tež.% za 4S i 77,1 ± 17,0 mas% za 12S.
Namjerili smo da demonstriramo mogućnosti dizajna za poboljšanje strukturnog integriteta tankoslojnih lateks polimernih premaza kao važne komponente koncepta biokompozita koji oponašaju lišajeve bez žrtvovanja biokompatibilnosti ili performansi.Zaista, ako se prevaziđu strukturni izazovi povezani sa rastom ćelija, očekujemo značajna poboljšanja performansi u odnosu na naše eksperimentalne biokompozite, koji su već uporedivi sa drugim sistemima za hvatanje ugljenika cijanobakterija i mikroalgi.
Premazi moraju biti netoksični, izdržljivi, podržavati dugotrajnu ćelijsku adheziju i moraju biti porozni kako bi promovirali efikasan prijenos mase CO2 i otplinjavanje O2.Akrilni polimeri tipa lateksa lako se pripremaju i široko se koriste u industriji boja, tekstila i ljepila30.Kombinirali smo cijanobakterije s emulzijom akrilnog lateks polimera na bazi vode polimeriziranom sa specifičnim omjerom čestica stiren/butil akrilata i različitim koncentracijama Texanola.Stiren i butil akrilat su odabrani kako bi mogli kontrolirati fizička svojstva, posebno elastičnost i efikasnost koalescencije premaza (kritično za jak i visoko ljepljiv premaz), omogućavajući sintezu "tvrdih" i "mekih" agregata čestica.Podaci o toksičnosti upućuju na to da “tvrdi” lateks s visokim sadržajem stirena nije pogodan za preživljavanje cijanobakterija.Za razliku od butil akrilata, stiren se smatra toksičnim za alge32,33.Sojevi cijanobakterija prilično su različito reagirali na lateks, te je za S. elongatus PCC 7942 određena optimalna temperatura staklastog prijelaza (Tg), dok je S. elongatus CCAP 1479/1A pokazao negativnu linearnu vezu s Tg.
Temperatura sušenja utiče na sposobnost formiranja neprekidnog jednoličnog lateks filma.Ako je temperatura sušenja ispod minimalne temperature formiranja filma (MFFT), čestice polimernog lateksa neće se u potpunosti spojiti, što će rezultirati prianjanjem samo na sučelju čestica.Rezultirajući filmovi imaju slabu adheziju i mehaničku čvrstoću, a mogu biti čak i u obliku praha29.MFFT je usko povezan sa Tg, koji se može kontrolisati sastavom monomera i dodatkom koalescenta kao što je Texanol.Tg određuje mnoga fizička svojstva rezultirajućeg premaza, koji može biti u gumenom ili staklastom stanju34.Prema Flory-Fox jednačini35, Tg zavisi od vrste monomera i relativnog procentualnog sastava.Dodavanje koalescenta može sniziti MFFT povremenim potiskivanjem Tg čestica lateksa, što omogućava stvaranje filma na nižim temperaturama, ali i dalje formira tvrdu i jaku prevlaku jer koalescent polako isparava tokom vremena ili je ekstrahovan 36 .
Povećanje koncentracije Texanola podstiče stvaranje filma omekšavanjem čestica polimera (smanjenje Tg) zbog apsorpcije od strane čestica tokom sušenja, čime se povećava čvrstoća kohezivnog filma i adhezija ćelija.Budući da se biokompozit suši na sobnoj temperaturi (~18-20°C), Tg (30 do 55°C) "tvrdog" lateksa je viši od temperature sušenja, što znači da koalescencija čestica možda neće biti optimalna, što rezultira B filmovi koji ostaju staklasti, loša mehanička i adhezivna svojstva, ograničena elastičnost i difuznost30 u konačnici dovode do većeg gubitka stanica.Formiranje filma od "normalnih" i "mekih" polimera događa se na ili ispod Tg polimernog filma, a formiranje filma se poboljšava poboljšanom koalescencijom, što rezultira kontinuiranim polimernim filmovima s poboljšanim mehaničkim, kohezivnim i adhezivnim svojstvima.Dobijeni film će ostati gumen tokom eksperimenata sa hvatanjem CO2 zbog toga što je njegov Tg blizu („normalna” mješavina: 12 do 20 ºC) ili mnogo niža („meka” mješavina: -21 do -13 °C) do temperature okoline 30 .“Tvrdi” lateks (3,4 do 2,9 kgf mm–1) je tri puta tvrđi od “normalnog” lateksa (1,0 do 0,9 kgf mm–1).Tvrdoća “mekih” lateksa ne može se izmjeriti mikrotvrdoćom zbog njihove prevelike gume i ljepljivosti na sobnoj temperaturi.Površinsko punjenje također može utjecati na afinitet prianjanja, ali je potrebno više podataka da bi se pružile značajne informacije.Međutim, svi lateksi su efikasno zadržali ćelije, oslobađajući manje od 1%.
Produktivnost fotosinteze s vremenom se smanjuje.Izloženost polistirenu dovodi do oštećenja membrane i oksidativnog stresa38,39,40,41.Vrijednosti Fv/Fm S. elongatus CCAP 1479/1A izložene 0S i 4S bile su gotovo dvostruko veće u odnosu na kontrolu suspenzije, što se dobro slaže sa stopom uzimanja CO2 4S biokompozita, kao i sa niže srednje vrednosti PS.vrijednosti.Više vrijednosti Fv/Fm ukazuju na to da transport elektrona do PSII može isporučiti više fotona42, što može rezultirati većim stopama fiksacije CO2.Međutim, treba napomenuti da su fotofiziološki podaci dobijeni iz ćelija suspendovanih u vodenim rastvorima lateksa i ne moraju nužno biti direktno uporedivi sa zrelim biokompozitima.
Ako lateks stvara barijeru za izmjenu svjetlosti i/ili plina što rezultira ograničenjem svjetlosti i CO2, može uzrokovati ćelijski stres i smanjiti performanse, a ako utječe na oslobađanje O2, fotorespiraciju39.Procijenjena je transmisija svjetlosti očvrsnutih premaza: “tvrdi” lateks pokazao je blagi pad u propuštanju svjetlosti između 440 i 480 nm (poboljšan dijelom povećanjem koncentracije Texanola zbog poboljšane koalescencije filma), dok je “meki” i “pravilan” ” lateks je pokazao blagi pad u propuštanju svjetlosti.ne pokazuje vidljiv gubitak gubitka.Testovi, kao i sve inkubacije, izvedeni su pri niskom intenzitetu svjetlosti (30,5 µmol m-2 s-1), tako da će svako fotosintetski aktivno zračenje zbog polimerne matrice biti kompenzirano i čak može biti korisno u sprječavanju fotoinhibicije.kod štetnih intenziteta svetlosti.
Biokompozit CCAP 1479/1A je funkcionisao tokom 84 dana testiranja, bez promene nutrijenata ili značajnog gubitka biomase, što je ključni cilj studije.Depigmentacija stanica može biti povezana s procesom kloroze kao odgovorom na gladovanje dušikom kako bi se postiglo dugoročno preživljavanje (stanje mirovanja), što može pomoći stanicama da nastave rast nakon što se postigne dovoljna akumulacija dušika.SEM snimci su potvrdili da su ćelije ostale unutar premaza uprkos diobi ćelija, demonstrirajući elastičnost “mekog” lateksa i time pokazujući jasnu prednost u odnosu na eksperimentalnu verziju.“Meki” lateks sadrži oko 70% butil akrilata (težinski), što je mnogo više od navedene koncentracije za fleksibilni premaz nakon sušenja44.
Neto apsorpcija CO2 bila je značajno veća nego kod kontrolne suspenzije (14–20 i 3–8 puta veća za S. elongatus CCAP 1479/1A i PCC 7942, respektivno).Ranije smo koristili model prijenosa mase CO2 kako bismo pokazali da je glavni pokretač visokog unosa CO2 oštar gradijent koncentracije CO2 na površini biokompozita31 i da performanse biokompozita mogu biti ograničene otpornošću na prijenos mase.Ovaj problem se može prevazići ugradnjom netoksičnih sastojaka koji ne stvaraju film u lateks kako bi se povećala poroznost i propusnost premaza26, ali zadržavanje ćelija može biti ugroženo jer će ova strategija neizbježno rezultirati slabijim filmom20.Hemijski sastav se može mijenjati tokom polimerizacije kako bi se povećala poroznost, što je najbolja opcija, posebno u smislu industrijske proizvodnje i skalabilnosti45.
Performanse novog biokompozita u poređenju sa nedavnim studijama koje su koristile biokompozite iz mikroalgi i cijanobakterija su pokazale prednosti u prilagođavanju brzine punjenja ćelija (Tablica 1)21,46 i sa dužim vremenima analize (84 dana naspram 15 sati46 i 3 nedelje21).
Volumetrijski sadržaj ugljikohidrata u stanicama je povoljno u usporedbi s drugim studijama47,48,49,50 korištenjem cijanobakterija i koristi se kao potencijalni kriterij za hvatanje i korištenje/oporavak ugljika, kao što su BECCS procesi fermentacije49,51 ili za proizvodnju biorazgradivih bioplastika52 .Kao dio obrazloženja za ovu studiju, pretpostavljamo da pošumljavanje, čak i razmatrano u BECCS konceptu negativnih emisija, nije lijek za klimatske promjene i troši alarmantan dio svjetskog obradivog zemljišta6.Kao misaoni eksperiment, procijenjeno je da bi između 640 i 950 GtCO2 trebalo biti uklonjeno iz atmosfere do 2100. kako bi se globalni porast temperature ograničio na 1,5°C53 (oko 8 do 12 GtCO2 godišnje).Postizanje ovog biokompozita boljeg učinka (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 biomase godišnje-1) zahtijevalo bi proširenje zapremine sa 5,5 × 1010 na 8,2 × 1010 m3 (sa uporedivom fotosintetskom efikasnošću), koja sadrži od 1926 milijardi litara. polimer.Pod pretpostavkom da 1 m3 biokompozita zauzima 1 m2 površine zemljišta, površina potrebna za apsorpciju ciljanog godišnjeg ukupnog CO2 biće između 5,5 i 8,17 miliona hektara, što je ekvivalentno 0,18-0,27% pogodnog za život zemljišta u zemlji. tropima, i smanjiti površinu zemlje.potreba za BECCS za 98-99%.Treba napomenuti da se teoretski omjer hvatanja zasniva na apsorpciji CO2 zabilježenoj pri slabom svjetlu.Čim se biokompozit izloži intenzivnijoj prirodnoj svjetlosti, stopa usvajanja CO2 se povećava, dodatno smanjujući zahtjeve za zemljištem i naginjući vagu dalje prema konceptu biokompozita.Međutim, implementacija mora biti na ekvatoru za konstantan intenzitet i trajanje pozadinskog osvjetljenja.
Globalni efekat gnojidbe CO2, odnosno povećanje produktivnosti vegetacije uzrokovano povećanom dostupnošću CO2, smanjen je na većini zemljišnih površina, vjerovatno zbog promjena u ključnim nutrijentima tla (N i P) i vodnim resursima7.To znači da zemaljska fotosinteza možda neće dovesti do povećanja unosa CO2, unatoč povišenim koncentracijama CO2 u zraku.U tom kontekstu, kopnene strategije ublažavanja klimatskih promjena, kao što je BECCS, imaju još manju vjerovatnoću da će uspjeti.Ako se ovaj globalni fenomen potvrdi, naš biokompozit inspiriran lišajevima mogao bi biti ključna prednost, pretvarajući jednoćelijske vodene fotosintetske mikrobe u „agense na zemlji“.Većina kopnenih biljaka fiksira CO2 putem fotosinteze C3, dok su biljke C4 povoljnije za toplija, suša staništa i efikasnije su pri višim parcijalnim pritiscima CO254.Cijanobakterije nude alternativu koja bi mogla nadoknaditi alarmantna predviđanja smanjene izloženosti ugljičnom dioksidu u biljkama C3.Cijanobakterije su prevazišle fotorespiratorna ograničenja razvojem efikasnog mehanizma obogaćivanja ugljikom u kojem su viši parcijalni pritisci CO2 predstavljeni i održavani pomoću ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaze/oksigenaze (RuBisCo) unutar karboksizoma okolo.Ako se proizvodnja cijanobakterijskih biokompozita može povećati, ovo bi moglo postati važno oružje za čovječanstvo u borbi protiv klimatskih promjena.
Biokompoziti (imitiraju lišajeve) nude jasne prednosti u odnosu na konvencionalne suspenzijske kulture mikroalgi i cijanobakterija, osiguravajući veće stope unosa CO2, minimizirajući rizike od zagađenja i obećavajući konkurentno izbjegavanje CO2.Troškovi značajno smanjuju korištenje zemljišta, vode i nutrijenata56.Ova studija pokazuje izvodljivost razvoja i proizvodnje biokompatibilnog lateksa visokih performansi koji, u kombinaciji sa sunđerom od lufe kao kandidatom supstratom, može obezbijediti efikasno i efektivno upijanje CO2 tokom višemjesečne operacije, dok gubitak ćelija svede na minimum.Biokompoziti bi teoretski mogli uhvatiti približno 570 t CO2 t-1 biomase godišnje i mogu se pokazati važnijim od BECCS strategija pošumljavanja u našem odgovoru na klimatske promjene.Uz daljnju optimizaciju sastava polimera, testiranje pri većim intenzitetima svjetlosti i u kombinaciji sa razrađenim metaboličkim inženjeringom, originalni biogeoinženjeri prirode mogu ponovo priskočiti u pomoć.
Akrilni lateks polimeri su pripremljeni primenom mešavine stiren monomera, butilakrilata i akrilne kiseline, a pH je podešen na 7 sa 0,1 M natrijum hidroksidom (tabela 2).Stiren i butil akrilat čine većinu polimernih lanaca, dok akrilna kiselina pomaže da se čestice lateksa drže u suspenziji57.Strukturna svojstva lateksa određena su temperaturom staklastog prijelaza (Tg), koja se kontrolira promjenom omjera stirena i butil akrilata, koji daje „tvrda“, odnosno „meka“ svojstva58.Tipičan akrilni lateks polimer je 50:50 stiren:butil akrilat 30, tako da je u ovoj studiji lateks sa ovim omjerom nazvan "normalnim" lateksom, a lateks s većim sadržajem stirena je nazvan lateksom s nižim sadržajem stirena. .nazivaju "meki" kao "tvrdi".
Primarna emulzija je pripremljena upotrebom destilovane vode (174 g), natrijum bikarbonata (0,5 g) i Rhodapex Ab/20 surfaktanta (30,92 g) (Solvay) za stabilizaciju 30 kapljica monomera.Koristeći staklenu špricu (Science Glass Engineering) sa špric pumpom, sekundarni alikvot koji je sadržavao stiren, butilakrilat i akrilnu kiselinu naveden u Tabeli 2 dodavan je u kapima brzinom od 100 ml h-1 primarnoj emulziji tokom 4 sata (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Pripremite rastvor inicijatora polimerizacije 59 koristeći dHO i amonijum persulfat (100 ml, 3% w/w).
Promiješajte otopinu koja sadrži dHO (206 g), natrijum bikarbonat (1 g) i Rhodapex Ab/20 (4,42 g) pomoću gornje miješalice (Heidolph Hei-TORQUE vrijednost 100) s propelerom od nehrđajućeg čelika i zagrijte na 82°C u Posuda sa vodenim omotačem u VWR Scientific 1137P zagrijanoj vodenoj kupelji.Smanjena težina rastvora monomera (28,21 g) i inicijatora (20,60 g) dodana je kap po kap u posudu sa omotačem i mešana 20 minuta.Snažno pomiješajte preostale otopine monomera (150 ml h-1) i inicijatora (27 ml h-1) kako biste čestice održale u suspenziji dok se ne dodaju u vodeni omotač tokom 5 h koristeći špriceve od 10 ml i 100 ml u posudi .kompletan sa špric pumpom.Brzina miješalice je povećana zbog povećanja volumena suspenzije kako bi se osiguralo zadržavanje suspenzije.Nakon dodavanja inicijatora i emulzije, reakciona temperatura je podignuta na 85°C, dobro mešana na 450 rpm tokom 30 minuta, a zatim ohlađena na 65°C.Nakon hlađenja, lateksu su dodana dva zamjenska rastvora: terc-butil hidroperoksid (t-BHP) (70% u vodi) (5 g, 14% težinski) i izoaskorbinska kiselina (5 g, 10% težinski)..Dodajte t-BHP kap po kap i ostavite 20 minuta.Zatim je dodavana eritorbinska kiselina brzinom od 4 ml/h iz šprica od 10 ml pomoću pumpe za špric.Rastvor lateksa je zatim ohlađen na sobnu temperaturu i podešen na pH 7 sa 0,1M natrijum hidroksidom.
2,2,4-Trimetil-1,3-pentandiol monoizobutirat (Texanol) – biorazgradivi koalescent niske toksičnosti za lateks boje 37,60 – dodan je štrcaljkom i pumpom u tri zapremine (0, 4, 12% v/v) kao koalescentno sredstvo za mješavinu lateksa kako bi se olakšalo stvaranje filma tokom sušenja37.Procenat čvrste supstance lateksa određen je stavljanjem 100 µl svakog polimera u prethodno izmerene poklopce od aluminijumske folije i sušenjem u pećnici na 100°C tokom 24 sata.
Za transmisiju svjetlosti, svaka mješavina lateksa je nanesena na mikroskopsko stakalce korištenjem kapljice od nehrđajućeg čelika kalibrirane za proizvodnju filmova od 100 µm i sušene na 20°C 48 sati.Transmisija svjetlosti (fokusirana na fotosintetski aktivno zračenje, λ 400–700 nm) mjerena je na spektroradiometru ILT950 SpectriLight sa senzorom na udaljenosti od 35 cm od fluorescentne lampe od 30 W (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – gdje je svjetlo izvor su bile cijanobakterije i organizmi Kompozitni materijali su očuvani.SpectrILight III softver verzije 3.5 je korišten za snimanje osvjetljenja i prijenosa u opsegu λ 400–700 nm61.Svi uzorci su postavljeni na vrh senzora, a neobložena staklena pločica su korištena kao kontrole.
Uzorci lateksa su dodani u silikonsku posudu za pečenje i ostavljeni da se osuše 24 sata prije nego što su testirani na tvrdoću.Stavite osušeni uzorak lateksa na čeličnu kapicu pod x10 mikroskopom.Nakon fokusiranja, uzorci su ocjenjivani na Buehler Micromet II mikrotvrdoći.Uzorak je podvrgnut sili od 100 do 200 grama, a vrijeme punjenja je postavljeno na 7 sekundi kako bi se stvorila dijamantska udubljenja na uzorku.Otisak je analiziran korišćenjem Bruker Alicona × 10 mikroskopskog objektiva sa dodatnim softverom za merenje oblika.Formula tvrdoće po Vickersu (jednačina 1) korištena je za izračunavanje tvrdoće svakog lateksa, gdje je HV Vickersov broj, F je primijenjena sila, a d je prosjek dijagonala udubljenja izračunatih iz visine i širine lateksa.vrijednost uvlake.“Meki” lateks se ne može mjeriti zbog prianjanja i rastezanja tokom testa udubljenja.
Za određivanje temperature staklastog prijelaza (Tg) kompozicije lateksa, uzorci polimera su stavljeni u posude od silika gela, sušeni 24 sata, izmjereni na 0,005 g i stavljeni u posude za uzorke.Posuda je zatvorena i stavljena u kolorimetar za diferencijalno skeniranje (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, softver za analizu podataka Pyris)62.Metoda toplotnog toka koristi se za postavljanje referentnih čaša i čaša za uzorke u istu pećnicu sa ugrađenom temperaturnom sondom za mjerenje temperature.Ukupno su korištene dvije rampe za stvaranje konzistentne krivulje.Metoda uzorka je više puta podizana sa -20°C na 180°C brzinom od 20°C u minuti.Svaka početna i krajnja točka se pohranjuju na 1 minutu kako bi se uračunalo temperaturno kašnjenje.
Da bi se procijenila sposobnost biokompozita da apsorbira CO2, uzorci su pripremljeni i testirani na isti način kao u našoj prethodnoj studiji31.Osušena i autoklavirana krpa za pranje izrezana je na trake približno 1×1×5 cm i izvagana.Nanesite 600 µl dva najefikasnija bioobloga svakog soja cijanobakterija na jedan kraj svake trake lufe, pokrivajući približno 1 × 1 × 3 cm, i sušite u mraku na 20°C 24 sata.Zbog makroporozne strukture lufe, dio formule je izgubljen, tako da efikasnost punjenja ćelija nije bila 100%.Da bi se prevazišao ovaj problem, određena je težina suvog preparata na lufi i normalizovana na referentni suvi preparat.Abiotičke kontrole koje se sastoje od lufe, lateksa i sterilne hranjive podloge pripremljene su na sličan način.
Da biste izvršili poluserijski test upijanja CO2, stavite biokompozit (n = 3) u staklenu epruvetu od 50 ml tako da jedan kraj biokompozita (bez bioobloga) bude u kontaktu sa 5 ml medijuma za rast, omogućavajući nutrijentu da prenose se kapilarnim djelovanjem..Boca je zatvorena čepom od butil gume prečnika 20 mm i presvučena srebrnastim aluminijumskim čepom.Kada se zatvori, ubrizgajte 45 ml 5% CO2/vazduh sterilnom iglom pričvršćenom na plinsko nepropusni špric.Gustoća ćelija kontrolne suspenzije (n = 3) bila je ekvivalentna opterećenju ćelija biokompozita u hranljivoj podlozi.Ispitivanja su obavljena na 18 ± 2 °C sa fotoperiodom od 16:8 i fotoperiodom od 30,5 µmol m-2 s-1.Prostor na glavi je uklonjen svaka dva dana gasootpornim špricem i analiziran CO2 metrom sa infracrvenom apsorpcijom GEOTech G100 da bi se odredio procenat apsorbovanog CO2.Dodajte jednaku zapreminu gasne mešavine CO2.
% CO2 Fix se izračunava na sljedeći način: % CO2 Fix = 5% (v/v) – upišite %CO2 (jednačina 2) gdje je P = pritisak, V = zapremina, T = temperatura i R = idealna gasna konstanta.
Prijavljene stope uzimanja CO2 za kontrolne suspenzije cijanobakterija i biokompozita su normalizirane na nebiološke kontrole.Funkcionalna jedinica g biomase je količina suhe biomase imobilizirana na krpi za pranje rublja.Određuje se vaganjem uzoraka lufe prije i nakon fiksacije ćelije.Obračunavanje mase opterećenja ćelije (ekvivalent biomase) pojedinačnim vaganjem preparata pre i posle sušenja i izračunavanjem gustine ćelijskog preparata (jednačina 3).Pretpostavlja se da su ćelijski preparati homogeni tokom fiksacije.
Za statističku analizu korišteni su Minitab 18 i Microsoft Excel sa dodatkom RealStatistics.Normalnost je testirana Anderson-Darlingovim testom, a jednakost varijansi testirana je Levenovim testom.Podaci koji zadovoljavaju ove pretpostavke analizirani su korištenjem dvosmjerne analize varijanse (ANOVA) sa Tukeyjevim testom kao post hoc analizom.Dvosmjerni podaci koji nisu ispunjavali pretpostavke normalnosti i jednake varijanse analizirani su korištenjem Shirer-Ray-Hara testa, a zatim Mann-Whitney U-testa kako bi se odredila značajnost između tretmana.Generalizirani linearni mješoviti (GLM) modeli korišteni su za nenormalne podatke sa tri faktora, gdje su podaci transformirani korištenjem Johnsonove transformacije63.Korelacije trenutaka Pearson proizvoda su izvedene kako bi se procijenila veza između koncentracije Texanola, temperature staklastog prijelaza i podataka o toksičnosti i adheziji lateksa.
Vrijeme objave: Jan-05-2023