Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite gumbe Prethodno i Sljedeće za pomicanje kroz tri slajda istovremeno ili koristite gumbe klizača na kraju za kretanje kroz tri slajda odjednom.
Hvatanje i skladištenje ugljika ključno je za postizanje ciljeva Pariškog sporazuma.Fotosinteza je prirodna tehnologija za hvatanje ugljika.Crpeći inspiraciju iz lišajeva, razvili smo 3D fotosintetski biokompozit cijanobakterija (tj. koji oponaša lišajeve) pomoću akrilnog lateks polimera nanesenog na lufa spužvu.Brzina unosa CO2 u biokompozit bila je 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 biomase d-1.Stopa unosa temelji se na suhoj biomasi na početku eksperimenta i uključuje CO2 koji se koristi za uzgoj nove biomase kao i CO2 sadržan u skladišnim spojevima kao što su ugljikohidrati.Te su stope unosa bile 14-20 puta veće od mjera kontrole gnojnice i potencijalno bi se mogle povećati za hvatanje 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 s hvatanjem i skladištenjem ugljika iznosi 0,4–1,2 × 109 ha.Biokompozit je ostao funkcionalan 12 tjedana bez dodatnih hranjivih tvari ili vode, nakon čega je eksperiment prekinut.Unutar višestranog tehnološkog stava čovječanstva u borbi protiv klimatskih promjena, projektirani i optimizirani cijanobakterijski biokompoziti imaju potencijal za održivu i skalabilnu primjenu za povećanje uklanjanja CO2 uz smanjenje gubitaka vode, hranjivih tvari i korištenja zemljišta.
Klimatske promjene stvarna su prijetnja globalnoj bioraznolikosti, stabilnosti ekosustava i ljudima.Kako bi se ublažili njegovi najgori učinci, potrebni su koordinirani i opsežni programi dekarburizacije i, naravno, potreban je neki oblik izravnog uklanjanja stakleničkih plinova iz atmosfere.Unatoč pozitivnoj dekarbonizaciji proizvodnje električne energije2,3, trenutno ne postoje ekonomski održiva tehnološka rješenja za smanjenje atmosferskog ugljičnog dioksida (CO2)4, iako hvatanje dimnih plinova napreduje5.Umjesto skalabilnih i praktičnih inženjerskih rješenja, ljudi bi se trebali okrenuti prirodnim inženjerima za hvatanje ugljika – fotosintetskim organizmima (fototrofnim organizmima).Fotosinteza je prirodna tehnologija sekvestracije ugljika, ali je upitna njena sposobnost da preokrene antropogeno obogaćivanje ugljikom u smislenim vremenskim razmjerima, enzimi su neučinkoviti, a upitna je i njena sposobnost da se koristi u odgovarajućim razmjerima.Potencijalni put za fototrofiju je pošumljavanje, koje siječe drveće za bioenergiju s hvatanjem i skladištenjem ugljika (BECCS) kao tehnologijom negativnih emisija koja može pomoći u smanjenju neto emisija CO21.Međutim, da bi se postigao temperaturni cilj Pariškog sporazuma od 1,5°C korištenjem BECCS-a kao glavne metode 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 učincima gnojidbe CO2 dovodi u pitanje potencijalnu ukupnu učinkovitost šumskih plantaža7.Ako želimo postići temperaturne ciljeve postavljene Pariškim sporazumom, 100 sekundi GtCO2 stakleničkih plinova (GGR) mora se ukloniti iz atmosfere svake godine.Odjel za istraživanje i inovacije Ujedinjenog Kraljevstva nedavno je najavio financiranje za pet GGR8 projekata uključujući upravljanje tresetištem, poboljšano trošenje stijena, sadnju drveća, biougljen i višegodišnje usjeve za napajanje BECCS procesa.Troškovi uklanjanja više od 130 MtCO2 iz atmosfere godišnje iznose 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 šumskog područja, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/god., biougljen, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 godišnje za trajne usjeve koji koriste BECCS9.
Kombinacija ovih pristupa potencijalno bi mogla doseći cilj od 130 Mt CO2 godišnje, ali troškovi trošenja stijena i BECCS su visoki, a biougljen, iako relativno jeftin i nije povezan s korištenjem zemljišta, zahtijeva sirovinu za proizvodni proces biougljena.nudi ovaj razvoj i broj za implementaciju drugih GGR tehnologija.
Umjesto da rješenja tražite na kopnu, potražite vodu, posebice jednostanične fototrofe kao što su mikroalge i cijanobakterije10.Alge (uključujući cijanobakterije) hvataju otprilike 50% svjetskog ugljičnog dioksida, iako čine samo 1% svjetske biomase11.Cijanobakterije su izvorni prirodni biogeoinženjeri, postavljajući temelje respiratornom metabolizmu i evoluciji višestaničnog života putem kisikove fotosinteze12.Ideja o korištenju cijanobakterija za hvatanje ugljika nije nova, ali inovativne metode fizičkog postavljanja otvaraju nove horizonte ovim drevnim organizmima.
Otvorena jezerca i fotobioreaktori zadana su imovina kada se koriste mikroalge i cijanobakterije u industrijske svrhe.Ovi sustavi kulture koriste suspenzijsku kulturu u kojoj stanice slobodno plutaju u mediju za rast14;međutim, ribnjaci i fotobioreaktori imaju mnoge nedostatke poput slabog prijenosa mase CO2, intenzivnog korištenja zemlje i vode, osjetljivosti na bioobraštanje i visokih troškova izgradnje i rada15,16.Bioreaktori s biofilmom koji ne koriste suspenzijske kulture su ekonomičniji u pogledu vode i prostora, ali su izloženi riziku od oštećenja uslijed isušivanja, skloni su odvajanju biofilma (a time i gubitku aktivne biomase) te su jednako skloni bioobraštaju17.
Potrebni su novi pristupi za povećanje stope upijanja CO2 i rješavanje problema koji ograničavaju reaktore za gnojnicu i biofilm.Jedan takav pristup su fotosintetski biokompoziti inspirirani lišajevima.Lišajevi su kompleks gljiva i fotobionata (mikroalga i/ili cijanobakterija) koji prekrivaju približno 12% kopnene površine Zemlje18.Gljive pružaju fizičku potporu, zaštitu i učvršćivanje fotobiotičkog supstrata, koji zauzvrat opskrbljuje gljive ugljikom (kao višak produkata fotosinteze).Predloženi biokompozit je "mimetik lišaja", u kojem je koncentrirana populacija cijanobakterija imobilizirana u obliku tanke bioprevlake na nosivom supstratu.Osim stanica, bioprevlaka sadrži polimernu matricu koja može zamijeniti gljivicu.Polimerne emulzije ili "lateksi" na bazi vode preferiraju se jer su biokompatibilni, izdržljivi, jeftini, laki za rukovanje i komercijalno dostupni19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Na fiksaciju stanica lateks polimerima uvelike utječe sastav lateksa i proces stvaranja filma.Emulzijska polimerizacija je heterogeni proces koji se koristi za proizvodnju sintetičke gume, ljepljivih premaza, brtvila, aditiva za beton, papirnih i tekstilnih premaza i lateks boja27.Ima brojne prednosti u odnosu na druge metode polimerizacije, kao što su visoka brzina reakcije i učinkovitost pretvorbe monomera, kao i jednostavnost kontrole proizvoda27,28.Izbor monomera ovisi o željenim svojstvima dobivenog polimernog filma, a za mješovite monomerne sustave (tj. kopolimerizacije), svojstva polimera mogu se promijeniti odabirom različitih omjera monomera koji tvore dobiveni polimerni materijal.Butil akrilat i stiren su među najčešćim monomerima akrilnog lateksa i ovdje se koriste.Osim toga, sredstva za spajanje (npr. Texanol) često se koriste za poticanje jednolikog stvaranja filma gdje mogu promijeniti svojstva polimernog lateksa kako bi se proizveo jak i "kontinuiran" (koalescentni) premaz.U našoj početnoj studiji dokaza koncepta, 3D biokompozit velike površine i velike poroznosti proizveden je pomoću komercijalne lateks boje nanesene na lufa spužvu.Nakon dugih i kontinuiranih manipulacija (osam tjedana), biokompozit je pokazao ograničenu sposobnost zadržavanja cijanobakterija na skeli od lufe jer je rast stanica oslabio strukturni integritet lateksa.U trenutnoj studiji, cilj nam je bio razviti niz akrilnih lateks polimera poznate kemije za kontinuiranu upotrebu u aplikacijama za hvatanje ugljika bez žrtvovanja razgradnje polimera.Čineći to, pokazali smo sposobnost stvaranja polimernih matričnih elemenata sličnih lišaju koji pružaju poboljšanu biološku učinkovitost i značajno povećanu mehaničku elastičnost u usporedbi s dokazanim biokompozitima.Daljnja optimizacija ubrzat će usvajanje biokompozita za hvatanje ugljika, posebno u kombinaciji s cijanobakterijama metabolički modificiranim za povećanje izdvajanja CO2.
Devet lateksa s tri polimerne formulacije (H = "tvrdi", N = "normalni", S = "meki") i tri vrste Texanola (0, 4, 12% v/v) testirani su na toksičnost i korelaciju naprezanja.Ljepilo.od dvije cijanobakterije.Tip lateksa značajno je utjecao 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) (Slika 1a).Koncentracija teksanola nije značajno utjecala na rast S. elongatus PCC 7942, samo je N-lateks bio netoksičan (slika 1a), a 0 N i 4 N održavali su rast od 26% odnosno 35% (Mann- Whitney U, 0 N u odnosu na 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N u odnosu na kontrolu: W = 25,0, P = 0,061; 4 N u odnosu na kontrolu: W = 25,0, P = 0,061) i 12 N održani rast usporediv biološkoj kontroli (Sveučilište Mann-Whitney, 12 N u odnosu na kontrolu: W = 17,0, P = 0,885).Za S. elongatus CCAP 1479/1A i mješavina lateksa i koncentracija teksanola bili su važni čimbenici, a primijećena je značajna interakcija između njih (dvosmjerna ANOVA, lateks: DF=2, F=103,93, P=<0,001, teksanol : DF=2, F=5,96, P=0,01, lateks*teksanol: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N i svi "meki" lateksi pospješuju 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 s temperaturom staklenog prijelaza (Tg) i matrica odlučivanja na temelju podataka o toksičnosti i adheziji.(a) Ispitivanje toksičnosti provedeno je uporabom zasebnih dijagrama rasta postotka cijanobakterija normaliziranih za kontrolne suspenzijske kulture.Tretmani označeni sa * značajno se razlikuju od kontrola.(b) Podaci o rastu cijanobakterija u odnosu na Tg lateks (srednja vrijednost ± SD; n = 3).(c) Kumulativni broj cijanobakterija oslobođenih testom adhezije biokompozita.(d) Podaci o adheziji u odnosu na Tg lateksa (srednja vrijednost ± StDev; n = 3).e Matrica odlučivanja na temelju podataka o toksičnosti i adheziji.Omjer stirena i butilakrilata je 1:3 za “tvrdi” (H) lateks, 1:1 za “normalni” (N) i 3:1 za “meki” (S).Prethodni brojevi u kodu lateksa odgovaraju sadržaju Texanola.
U većini slučajeva, viabilnost stanica se smanjivala s 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.Slika 1b prikazuje odnos između rasta stanica i temperature staklenog prijelaza (Tg).Postoji jaka negativna korelacija između koncentracije teksanola i Tg vrijednosti (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 optimalna Tg za rast S. elongatus PCC 7942 bila oko 17 °C (Slika 1b), dok je S. elongatus CCAP 1479/1A favorizirala Tg ispod 0 °C (Slika 1b).Samo je S. elongatus CCAP 1479/1A imao jaku negativnu korelaciju između Tg i podataka o toksičnosti (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Svi lateksi imali su dobar afinitet prianjanja i niti jedan nije otpustio više od 1% stanica nakon 72 sata (slika 1c).Nije bilo značajne razlike između lateksa dvaju sojeva S. elongatus (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara test, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- test zraka).– Hare test, lateks*teksanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).Kako se koncentracija Texanola povećava, oslobađa se više stanica (Slika 1c).u usporedbi sa S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Slika 1d).Nadalje, nije bilo statističke veze između Tg i stanične 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" polimeri lateksa bili su neučinkoviti.Nasuprot tome, 4N i 12N su bili najbolji protiv S. elongatus PCC 7942, dok su 4S i 12S bili najbolji protiv CCAP 1479/1A (slika 1e), iako očito postoji prostor za daljnju optimizaciju polimerne matrice.Ovi polimeri korišteni su u testovima neto apsorpcije CO2 u poluserijama.
Fotofiziologija je praćena 7 dana korištenjem stanica suspendiranih u vodenom pripravku lateksa.Općenito, i prividna stopa fotosinteze (PS) i maksimalni kvantni prinos PSII (Fv/Fm) smanjuju se s vremenom, ali to smanjenje je neujednačeno i neki skupovi podataka PS pokazuju dvofazni odgovor, što ukazuje na djelomični odgovor, iako oporavak u stvarnom vremenu kraća aktivnost PS (sl. 2a i 3b).Bifazni Fv/Fm odgovor bio je 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 usporedbi s kontrolnim suspenzijskim kulturama.Omjer stirena i butilakrilata je 1:3 za “tvrdi” (H) lateks, 1:1 za “normalni” (N) i 3:1 za “meki” (S).Prethodni brojevi u kodu 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 usporedbi s kontrolnim suspenzijskim kulturama.Omjer stirena i butilakrilata je 1:3 za “tvrdi” (H) lateks, 1:1 za “normalni” (N) i 3:1 za “meki” (S).Prethodni brojevi u kodu lateksa odgovaraju sadržaju Texanola.(srednja vrijednost ± standardna devijacija; n = 3).
Za S. elongatus PCC 7942 sastav lateksa i koncentracija Texanola nisu utjecali na PS tijekom vremena (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), iako je sastav bio važan čimbenik (GLM)., lateks*vrijeme, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Slika 2a).Nije bilo značajnog učinka koncentracije Texanola tijekom vremena (GLM, Texanol*vrijeme, DF=14, F=1,63, P=0,078).Postojala je značajna interakcija koja je utjecala 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 učinak na Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Svaki parametar također utječe na Fv/Fm tijekom vremena (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 i Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=<0,001).Lateks 12H zadržao je najniže prosječne vrijednosti PS i Fv/Fm (slika 2b), što ukazuje da je ovaj polimer toksičniji.
PS S. elongatus CCAP 1479/1A bio je značajno drugačiji (GLM, lateks * teksanol * vrijeme, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), sa sastavom lateksa, a ne koncentracijom teksanola (GLM, lateks * vrijeme, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*vrijeme, DF=14, F=1,26, P=0,239)."Meki" polimeri 0S i 4S zadržali su nešto više razine PS performansi od kontrolnih suspenzija (Mann-Whitney U, 0S u odnosu na kontrole, W = 686,0, P = 0,044, 4S u odnosu na kontrole, W = 713, P = 0,01) i održali su poboljšani Fv./Fm (slika 3a) pokazuje učinkovitiji transport do fotosustava II.Za vrijednosti Fv/Fm stanica CCAP 1479/1A, postojala je značajna razlika u lateksu tijekom vremena (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Slika 3b).).
Na sl.Slika 4 prikazuje prosječni PS i Fv/Fm tijekom perioda od 7 dana kao funkciju rasta stanica za svaki soj.S. elongatus PCC 7942 nije imao jasan uzorak (Sl. 4a i b), međutim, CCAP 1479/1A je pokazao parabolični odnos između PS (Sl. 4c) i Fv/Fm (Sl. 4d) vrijednosti kao omjeri stirena i butilakrilata rastu s promjenom.
Povezanost rasta i fotofiziologije Synechococcus longum na pripravcima od lateksa.(a) Podaci o toksičnosti ucrtani u odnosu na prividnu brzinu fotosinteze (PS), (b) maksimalni kvantni prinos PSII (Fv/Fm) PCC 7942. c Podaci o toksičnosti ucrtani u odnosu na PS i d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Omjer stirena i butilakrilata je 1:3 za “tvrdi” (H) lateks, 1:1 za “normalni” (N) i 3:1 za “meki” (S).Prethodni brojevi u kodu lateksa odgovaraju sadržaju Texanola.(srednja vrijednost ± standardna devijacija; n = 3).
Biokompozit PCC 7942 imao je ograničeni učinak na zadržavanje stanica sa značajnim ispiranjem stanica tijekom prva četiri tjedna (Slika 5).Nakon početne faze unosa CO2, stanice fiksirane s 12 N lateksom počele su otpuštati CO2, a taj se obrazac zadržao između 4. i 14. dana (slika 5b).Ovi su podaci u skladu s opažanjima promjene boje pigmenta.Neto unos CO2 ponovno je počeo od 18. dana. Unatoč oslobađanju stanica (Sl. 5a), biokompozit PCC 7942 12 N i dalje je akumulirao više CO2 od kontrolne suspenzije tijekom 28 dana, iako malo (Mann-Whitney U-test, W = 2275,5; P = 0,066).Brzina apsorpcije CO2 lateksa 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 razine 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.postojao je značajan odnos između liječenja i vremena (Chairer-Ray-Har test, vrijeme*liječenje: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Ispitivanje upijanja CO2 u pola serije na biokompozitima Synechococcus elongatus PCC 7942 upotrebom 4N i 12N lateksa.(a) Slike pokazuju oslobađanje stanica i promjenu boje pigmenta, kao i SEM slike biokompozita prije i poslije testiranja.Bijele točkaste linije označavaju mjesta taloženja stanica na biokompozitu.(b) Kumulativni neto unos CO2 tijekom razdoblja od četiri tjedna.“Normalni” (N) lateks ima omjer stirena i butilakrilata 1:1.Prethodni brojevi u kodu lateksa odgovaraju sadržaju Texanola.(srednja vrijednost ± standardna devijacija; n = 3).
Zadržavanje stanica značajno je poboljšano za soj CCAP 1479/1A s 4S i 12S, iako je pigment polako mijenjao boju tijekom vremena (Slika 6a).Biokompozit CCAP 1479/1A apsorbira CO2 puna 84 dana (12 tjedana) bez dodatnih prehrambenih dodataka.SEM analiza (slika 6a) potvrdila je vizualno opažanje odvajanja malih stanica.U početku su stanice bile obložene lateksom koji je zadržao svoj integritet unatoč rastu stanica.Stopa unosa CO2 bila je značajno viša od kontrolne skupine (Scheirer-Ray-Har test, liječenje: DF=2; H=240,59; P=<0,001, vrijeme: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Slika 6b).Biokompozit 12S postigao je najveći unos CO2 (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 biomase dnevno), dok je 4S lateks iznosio 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 biomase dnevno, no nisu se značajno razlikovali (Mann-Whitney U test, W = 1507,50; P = 0,07) i nema značajne interakcije između tretmana i vremena (Shirer-Rey-Hara test, vrijeme * tretman: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Ispitivanje upijanja CO2 u pola lota korištenjem biokompozita Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A s 4N i 12N lateksom.(a) Slike pokazuju oslobađanje stanica i promjenu boje pigmenta, kao i SEM slike biokompozita prije i poslije testiranja.Bijele točkaste linije označavaju mjesta taloženja stanica na biokompozitu.(b) Kumulativni neto unos CO2 tijekom razdoblja od dvanaest tjedana.“Meki” (S) lateks ima omjer stirena i butilakrilata 1:1.Prethodni brojevi u kodu 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 (dvostruka ANOVA, vrijeme*tretman: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (Slika S4).Biokompozit PCC 7942 imao je najveći udio ugljikohidrata u 2. tjednu (4 N = 59,4 ± 22,5 tež.%, 12 N = 67,9 ± 3,3 tež.%), dok je kontrolna suspenzija imala najveći udio ugljikohidrata u 4. tjednu kada je (kontrola = 59,6 ± 2,84% w/w).Ukupni sadržaj ugljikohidrata u biokompozitu CCAP 1479/1A bio je usporediv s kontrolnom suspenzijom, osim na početku ispitivanja, s nekim promjenama u 12S lateksu u 4. tjednu. Najviše vrijednosti za biokompozit bile su 51,9 ± 9,6 % težine. za 4S i 77,1 ± 17,0 tež.% za 12S.
Namjeravali smo demonstrirati mogućnosti dizajna za poboljšanje strukturnog integriteta tankoslojnih lateks polimernih premaza kao važne komponente koncepta biokompozita koji oponaša lišajeve bez žrtvovanja biokompatibilnosti ili performansi.Doista, ako se prevladaju strukturni izazovi povezani s rastom stanica, očekujemo značajna poboljšanja performansi u odnosu na naše eksperimentalne biokompozite, koji su već usporedivi s drugim sustavima za hvatanje ugljika cijanobakterija i mikroalgi.
Premazi moraju biti netoksični, izdržljivi, podržavati dugotrajnu adheziju stanica i moraju biti porozni za promicanje učinkovitog prijenosa mase CO2 i otplinjavanje O2.Akrilni polimeri tipa lateksa lako se pripremaju i naširoko se koriste u industriji boja, tekstila i ljepila30.Kombinirali smo cijanobakterije s polimernom emulzijom akrilnog lateksa na bazi vode koja je polimerizirana s određenim omjerom čestica stiren/butil akrilata i različitim koncentracijama Texanola.Stiren i butil akrilat odabrani su kako bi mogli kontrolirati fizikalna svojstva, posebno elastičnost i učinkovitost koalescencije premaza (kritično za jak i visoko ljepljiv premaz), što omogućuje sintezu "tvrdih" i "mekih" agregata čestica.Podaci o toksičnosti sugeriraju da "tvrdi" lateks s visokim udjelom stirena nije pogodan za preživljavanje cijanobakterija.Za razliku od butilakrilata, stiren se smatra toksičnim za alge32,33.Sojevi cijanobakterija sasvim su različito reagirali na lateks, a optimalna temperatura staklastog prijelaza (Tg) određena je za S. elongatus PCC 7942, dok je S. elongatus CCAP 1479/1A pokazao negativan linearni odnos s Tg.
Temperatura sušenja utječe na sposobnost formiranja kontinuiranog ujednačenog filma od lateksa.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 slabo prianjanje i mehaničku čvrstoću te čak mogu biti u obliku praha29.MFFT je usko povezan s Tg, koji se može kontrolirati sastavom monomera i dodatkom koalescenta kao što je Texanol.Tg određuje mnoga fizikalna svojstva dobivenog premaza, koji može biti u gumastom ili staklastom stanju34.Prema Flory-Foxovoj jednadžbi35, Tg ovisi o vrsti monomera i relativnom postotnom sastavu.Dodatak koalescenta može sniziti MFFT povremenim supresijom Tg čestica lateksa, što omogućuje stvaranje filma na nižim temperaturama, ali i dalje stvara tvrdu i jaku prevlaku jer koalescent polagano isparava tijekom vremena ili je ekstrahiran 36 .
Povećanje koncentracije Texanola potiče stvaranje filma omekšavanjem čestica polimera (smanjenje Tg) zbog apsorpcije od strane čestica tijekom sušenja, čime se povećava čvrstoća kohezivnog filma i prianjanje stanica.Budući da se biokompozit suši na sobnoj temperaturi (~18–20°C), Tg (30 do 55°C) "tvrdog" lateksa viši je 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.Stvaranje filma od "normalnih" i "mekih" polimera događa se na ili ispod Tg polimernog filma, a stvaranje filma je poboljšano poboljšanom koalescencijom, što rezultira kontinuiranim polimernim filmovima s poboljšanim mehaničkim, kohezivnim i adhezivnim svojstvima.Rezultirajući film ostat će gumast tijekom eksperimenata sa hvatanjem CO2 jer mu je Tg blizu ("normalna" mješavina: 12 do 20 ºC) ili mnogo niža ("meka" mješavina: -21 do -13 °C) temperaturi 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 mjeriti mikrotvrdoćom zbog njihove prevelike gumastičnosti i ljepljivosti na sobnoj temperaturi.Površinski naboj također može utjecati na afinitet prianjanja, ali potrebno je više podataka za pružanje značajnih informacija.Međutim, svi lateksi učinkovito zadržavaju stanice, oslobađajući manje od 1%.
Produktivnost fotosinteze se s vremenom 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 usporedbi s kontrolom suspenzije, što je u dobrom skladu sa stopom unosa CO2 biokompozita 4S, kao i sa niže srednje vrijednosti PS.vrijednosti.Više vrijednosti Fv/Fm pokazuju da transport elektrona do PSII može isporučiti više fotona42, što može rezultirati višim stopama fiksacije CO2.Međutim, treba napomenuti da su fotofiziološki podaci dobiveni iz stanica suspendiranih u vodenim otopinama lateksa i ne moraju nužno biti izravno usporedivi sa zrelim biokompozitima.
Ako lateks stvara prepreku za izmjenu svjetlosti i/ili plinova što rezultira ograničenjem svjetlosti i CO2, može uzrokovati stanični stres i smanjiti učinkovitost, a ako utječe na oslobađanje O2, fotorespiraciju39.Ocijenjena je propusnost svjetlosti stvrdnutih premaza: "tvrdi" lateks je pokazao blago smanjenje propusnosti svjetlosti između 440 i 480 nm (poboljšano djelomično povećanjem koncentracije Texanola zbog poboljšane koalescencije filma), dok je "meki" i "pravilan" ” lateks je pokazao blagi pad u prijenosu svjetla.ne pokazuje zamjetan gubitak gubitka.Testovi, kao i sve inkubacije, izvedeni su pri niskom intenzitetu svjetla (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.pri štetnim intenzitetima svjetlosti.
Biokompozit CCAP 1479/1A funkcionirao je tijekom 84 dana testiranja, bez izmjene nutrijenata ili značajnog gubitka biomase, što je ključni cilj studije.Depigmentacija stanica može biti povezana s procesom kloroze kao odgovor 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 slike potvrdile su da su stanice ostale unutar premaza unatoč staničnoj diobi, pokazujući elastičnost "mekog" lateksa i time pokazujući jasnu prednost u odnosu na eksperimentalnu verziju.“Meki” lateks sadrži oko 70% butilakrilata (težinski), što je puno više od navedene koncentracije za fleksibilni premaz nakon sušenja44.
Neto upijanje CO2 bilo je znatno veće od onog kod kontrolne suspenzije (14-20 i 3-8 puta više za S. elongatus CCAP 1479/1A i PCC 7942).Prethodno 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 učinak biokompozita može biti ograničen otporom na prijenos mase.Ovaj se problem može prevladati ugradnjom netoksičnih sastojaka koji ne stvaraju film u lateks kako bi se povećala poroznost i propusnost premaza26, ali zadržavanje stanica može biti ugroženo jer će ova strategija neizbježno rezultirati slabijim filmom20.Kemijski sastav se može mijenjati tijekom polimerizacije kako bi se povećala poroznost, što je najbolja opcija, posebno u smislu industrijske proizvodnje i skalabilnosti45.
Učinkovitost novog biokompozita u usporedbi s nedavnim studijama koje su koristile biokompozite iz mikroalgi i cijanobakterija pokazala je prednosti u prilagodbi stope punjenja stanica (tablica 1)21,46 i s duljim vremenima analize (84 dana naspram 15 sati46 i 3 tjedna21).
Volumetrijski sadržaj ugljikohidrata u stanicama povoljno je u usporedbi s drugim studijama47,48,49,50 koje koriste cijanobakterije i koristi se kao potencijalni kriterij za aplikacije za hvatanje i iskorištavanje/oporabu 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 konceptu negativnih emisija BECCS, nije lijek za klimatske promjene i troši alarmantan udio svjetskog obradivog zemljišta6.Kao misaoni eksperiment, procijenjeno je da će između 640 i 950 GtCO2 biti potrebno ukloniti iz atmosfere do 2100. da bi se ograničio porast globalne temperature na 1,5°C53 (oko 8 do 12 GtCO2 godišnje).Postizanje toga s biokompozitom s boljim učinkom (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 biomase godišnje-1) zahtijevalo bi povećanje volumena s 5,5 × 1010 na 8,2 × 1010 m3 (s usporedivom fotosintetskom učinkovitošću), koji sadrži od 196 do 2,92 milijarde litara polimer.Pod pretpostavkom da 1 m3 biokompozita zauzima 1 m2 kopnene površine, površina potrebna za apsorpciju ciljanog godišnjeg ukupnog CO2 bit će između 5,5 i 8,17 milijuna hektara, što je ekvivalentno 0,18-0,27% zemljišta pogodnog za život u tropima, i smanjiti površinu kopna.potreba za BECCS za 98-99%.Treba napomenuti da se teoretski omjer hvatanja temelji na apsorpciji CO2 zabilježenoj pri slabom svjetlu.Čim se biokompozit izloži intenzivnijem prirodnom svjetlu, stopa unosa CO2 se povećava, dodatno smanjujući zahtjeve za zemljištem i preokrećući vagu prema konceptu biokompozita.Međutim, implementacija mora biti na ekvatoru za konstantan intenzitet i trajanje pozadinskog osvjetljenja.
Globalni učinak gnojidbe CO2, tj. povećanje produktivnosti vegetacije uzrokovano povećanom dostupnošću CO2, smanjen je na većini kopnenih površina, vjerojatno zbog promjena ključnih hranjivih tvari u tlu (N i P) i vodnih resursa7.To znači da zemaljska fotosinteza možda neće dovesti do povećanja unosa CO2, unatoč povišenim koncentracijama CO2 u zraku.U tom kontekstu, još je manje vjerojatno da će uspjeti zemaljske strategije ublažavanja klimatskih promjena kao što je BECCS.Ako se ovaj globalni fenomen potvrdi, naš biokompozit inspiriran lišajevima mogao bi biti ključna prednost, pretvarajući jednostanične vodene fotosintetske mikrobe u "zemaljske agense".Većina kopnenih biljaka fiksira CO2 fotosintezom C3, dok su biljke C4 sklonije toplijim, sušnijim staništima i učinkovitije su pri višim parcijalnim tlakovima CO254.Cijanobakterije nude alternativu koja bi mogla poništiti alarmantna predviđanja smanjene izloženosti ugljičnom dioksidu u C3 biljkama.Cijanobakterije su prevladale fotorespiracijska ograničenja razvijanjem učinkovitog mehanizma obogaćivanja ugljikom u kojem se viši parcijalni tlakovi CO2 predstavljaju i održavaju pomoću ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaze/oksigenaze (RuBisCo) unutar karboksisoma.Ako se proizvodnja cijanobakterijskih biokompozita može povećati, to bi moglo postati važno oružje čovječanstva u borbi protiv klimatskih promjena.
Biokompoziti (mimici lišaja) nude jasne prednosti u odnosu na konvencionalne suspenzijske kulture mikroalgi i cijanobakterija, osiguravajući veće stope unosa CO2, minimizirajući rizike onečišćenja i obećavajući konkurentno izbjegavanje CO2.Troškovi značajno smanjuju korištenje zemlje, vode i hranjivih tvari56.Ova studija pokazuje izvedivost razvoja i proizvodnje visokoučinkovitog biokompatibilnog lateksa koji, u kombinaciji s lufa spužvom kao supstratom kandidatom, može osigurati učinkovito i djelotvorno primanje CO2 tijekom višemjesečne operacije, dok gubitak stanica održava na minimumu.Biokompoziti bi teoretski mogli uhvatiti približno 570 t CO2 t-1 biomase godišnje i mogli bi se pokazati važnijim od BECCS strategija pošumljavanja u našem odgovoru na klimatske promjene.S daljnjom optimizacijom sastava polimera, testiranjem pri višim intenzitetima svjetlosti i u kombinaciji s razrađenim metaboličkim inženjeringom, izvorni biogeoinženjeri iz prirode ponovno mogu priskočiti u pomoć.
Akrilni lateks polimeri pripravljeni su upotrebom smjese monomera stirena, butilakrilata i akrilne kiseline, a pH je podešen na 7 s 0,1 M natrijevim hidroksidom (tablica 2).Stiren i butilakrilat čine najveći dio polimernih lanaca, dok akrilna kiselina pomaže u održavanju čestica lateksa u suspenziji57.Strukturna svojstva lateksa određena su temperaturom staklastog prijelaza (Tg), koja se kontrolira promjenom omjera stirena i butilakrilata, što daje „tvrda” odnosno „meka” svojstva58.Tipični akrilni lateks polimer je 50:50 stiren:butil akrilat 30, tako da je u ovoj studiji lateks s ovim omjerom nazvan "normalnim" lateksom, a lateks s višim udjelom stirena nazvan je lateksom s nižim udjelom stirena .nazvan “mekim” kao “tvrdim”.
Primarna emulzija je pripremljena upotrebom destilirane vode (174 g), natrijevog bikarbonata (0,5 g) i površinski aktivne tvari Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) za stabilizaciju 30 kapljica monomera.Pomoću staklene štrcaljke (Science Glass Engineering) s pumpom štrcaljke, sekundarni alikvot koji sadrži stiren, butilakrilat i akrilnu kiselinu naveden u tablici 2 dodan je kap po kap brzinom od 100 ml h-1 u primarnu emulziju tijekom 4 sata (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Pripremite otopinu inicijatora polimerizacije 59 koristeći dHO i amonijev persulfat (100 ml, 3% w/w).
Promiješajte otopinu koja sadrži dHO (206 g), natrijev bikarbonat (1 g) i Rhodapex Ab/20 (4,42 g) uz pomoć gornje miješalice (Heidolph Hei-TORQUE vrijednost 100) s propelerom od nehrđajućeg čelika i zagrijte na 82°C u posuda s vodenim omotačem u VWR Scientific 1137P grijanoj vodenoj kupelji.Otopina smanjene težine monomera (28,21 g) i inicijatora (20,60 g) dodana je kap po kap u posudu s omotačem i miješana 20 minuta.Snažno promiješajte preostale otopine monomera (150 ml h-1) i inicijatora (27 ml h-1) kako biste čestice zadržali u suspenziji dok se ne dodaju u vodeni omotač tijekom 5 sati pomoću štrcaljki od 10 ml odnosno 100 ml u spremniku .upotpunjen špric pumpom.Brzina miješalice je povećana zbog povećanja volumena kaše kako bi se osiguralo zadržavanje kaše.Nakon dodavanja inicijatora i emulzije, reakcijska temperatura je podignuta na 85°C, dobro miješana na 450 okretaja u minuti tijekom 30 minuta, zatim ohlađena na 65°C.Nakon hlađenja, u lateks su dodane dvije otopine za zamjenu: tert-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 dodana eritorbinska kiselina brzinom od 4 ml/h iz štrcaljke od 10 ml pomoću pumpe za štrcaljku.Otopina lateksa je zatim ohlađena na sobnu temperaturu i podešena na pH 7 s 0,1 M natrijevim hidroksidom.
2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol monoisobutyrate (Texanol) – niskotoksični biorazgradivi koalescent za lateks boje 37,60 – dodan je štrcaljkom i pumpicom u tri volumena (0, 4, 12% v/v) kao sredstvo za spajanje mješavine lateksa za olakšavanje stvaranja filma tijekom sušenja37.Postotak krutine lateksa određen je stavljanjem 100 µl svakog polimera u prethodno izvagane čepove od aluminijske folije i sušenjem u pećnici na 100°C 24 sata.
Za prijenos svjetla, svaka mješavina lateksa nanesena je na stakalce mikroskopa pomoću kocke od nehrđajućeg čelika kalibrirane za proizvodnju filmova od 100 µm i osušene na 20°C 48 sati.Transmisija svjetlosti (fokusirana na fotosintetski aktivno zračenje, λ 400–700 nm) mjerena je na ILT950 SpectriLight spektroradiometru sa senzorom na udaljenosti od 35 cm od 30 W fluorescentne svjetiljke (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – gdje je svjetlost izvor su bile cijanobakterije i organizmi Kompozitni materijali su sačuvani.Softver SpectrILight III verzija 3.5 korišten je za snimanje osvjetljenja i prijenosa u rasponu λ 400–700 nm61.Svi su uzorci stavljeni na vrh senzora, a staklena stakalca bez premaza korištena su kao kontrola.
Uzorci lateksa dodani su u silikonsku posudu za pečenje i ostavljeni da se suše 24 sata prije testiranja na tvrdoću.Stavite osušeni uzorak lateksa na čeličnu kapicu pod x10 mikroskopom.Nakon fokusiranja, uzorci su procijenjeni na Buehler Micromet II ispitivaču mikrotvrdoće.Uzorak je bio podvrgnut sili od 100 do 200 grama, a vrijeme opterećenja je postavljeno na 7 sekundi kako bi se stvorilo dijamantno udubljenje u uzorku.Otisak je analiziran pomoću mikroskopskog objektiva Bruker Alicona × 10 s dodatnim softverom za mjerenje oblika.Vickersova formula tvrdoće (jednadžba 1) korištena je za izračunavanje tvrdoće svakog lateksa, gdje je HV Vickersov broj, F primijenjena sila, a d prosjek dijagonala udubljenja izračunat iz visine i širine lateksa.vrijednost uvlake.“Meki” lateks se ne može mjeriti zbog prianjanja i istezanja tijekom testa utiskivanja.
Da bi se odredila temperatura staklenog prijelaza (Tg) sastava lateksa, uzorci polimera su stavljeni u posude sa silikagelom, sušeni 24 sata, izvagani do 0,005 g i stavljeni u posude za uzorke.Posuda je zatvorena i stavljena u diferencijalni kolorimetar (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, softver za analizu podataka Pyris)62.Metoda protoka topline koristi se za postavljanje referentnih posuda i posuda za uzorke u istu pećnicu s ugrađenom temperaturnom sondom za mjerenje temperature.Za stvaranje konzistentne krivulje korištene su ukupno dvije rampe.Metoda uzorka je više puta podignuta od -20°C do 180°C brzinom od 20°C po minuti.Svaka početna i završna točka pohranjuju se 1 minutu kako bi se uzela u obzir kašnjenje temperature.
Za procjenu sposobnosti biokompozita da apsorbira CO2, uzorci su pripremljeni i testirani na isti način kao u našem prethodnom istraživanju31.Osušena i autoklavirana krpa izrezana je na trake veličine otprilike 1×1×5 cm i izvagana.Nanesite 600 µl dvaju najučinkovitijih bioprevlaka svakog soja cijanobakterija na jedan kraj svake trake od 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 učinkovitost punjenja stanica nije bila 100%.Kako bi se prevladao ovaj problem, određena je težina suhog pripravka na lufi i normalizirana na referentni suhi pripravak.Abiotičke kontrole koje se sastoje od lufe, lateksa i sterilnog hranjivog medija pripremljene su na sličan način.
Za izvođenje testa apsorpcije CO2 s pola šarže, stavite biokompozit (n = 3) u staklenu cijev od 50 ml tako da jedan kraj biokompozita (bez bioprevlake) bude u kontaktu s 5 ml medija za rast, dopuštajući hranjivoj tvari da prenositi kapilarnim djelovanjem..Boca je zatvorena čepom od butilne gume promjera 20 mm i naborana srebrnastim aluminijskim čepom.Nakon zatvaranja, ubrizgajte 45 ml 5% CO2/zrak sterilnom iglom spojenom na štrcaljku nepropusnu za plin.Gustoća stanica kontrolne suspenzije (n = 3) bila je ekvivalentna opterećenju stanica biokompozita u hranjivom mediju.Ispitivanja su provedena na 18 ± 2 °C s fotoperiodom od 16:8 i fotoperiodom od 30,5 µmol m-2 s-1.Prostor za glavu uklanjan je svaka dva dana nepropusnom špricom i analiziran CO2 mjeračem s infracrvenom apsorpcijom GEOTech G100 kako bi se odredio postotak apsorbiranog CO2.Dodajte jednaki volumen plinske smjese CO2.
% CO2 Fix izračunava se na sljedeći način: % CO2 Fix = 5% (v/v) – napišite %CO2 (jednadžba 2) gdje je P = tlak, V = volumen, T = temperatura i R = idealna plinska konstanta.
Prijavljene stope unosa CO2 za kontrolne suspenzije cijanobakterija i biokompozita normalizirane su na nebiološke kontrole.Funkcionalna jedinica g biomase je količina suhe biomase imobilizirane na krpi za pranje.Određuje se vaganjem uzoraka lufe prije i poslije fiksacije stanica.Računanje mase punjenja stanica (ekvivalent biomase) pojedinačnim vaganjem pripravaka prije i nakon sušenja i izračunavanjem gustoće pripravka stanica (jednadžba 3).Pretpostavlja se da su pripravci stanica tijekom fiksacije homogeni.
Za statističku analizu korišteni su Minitab 18 i Microsoft Excel s dodatkom RealStatistics.Normalnost je testirana Anderson-Darlingovim testom, a jednakost varijanci Leveneovim testom.Podaci koji zadovoljavaju ove pretpostavke analizirani su korištenjem dvosmjerne analize varijance (ANOVA) s Tukeyevim testom kao post hoc analizom.Dvosmjerni podaci koji nisu zadovoljili pretpostavke normalnosti i jednake varijance analizirani su korištenjem Shirer-Ray-Hara testa, a zatim Mann-Whitneyjevog U-testa kako bi se odredila značajnost između tretmana.Generalizirani linearni mješoviti (GLM) modeli korišteni su za nenormalne podatke s tri faktora, gdje su podaci transformirani pomoću Johnsonove transformacije63.Provedene su korelacije trenutaka Pearsonovih proizvoda kako bi se procijenio odnos između koncentracije Texanola, temperature staklenog prijelaza i podataka o toksičnosti lateksa i adheziji.
Vrijeme objave: 5. siječnja 2023