Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Показва въртележка от три слайда наведнъж.Използвайте бутоните Предишен и Следващ, за да преминете през три слайда наведнъж, или използвайте бутоните на плъзгача в края, за да преминете през три слайда наведнъж.
Улавянето и съхранението на въглерод е от съществено значение за постигане на целите на Парижкото споразумение.Фотосинтезата е природна технология за улавяне на въглерод.Черпейки вдъхновение от лишеите, ние разработихме 3D фотосинтетичен биокомпозит от цианобактерии (т.е. имитиращ лишеи), използвайки акрилен латексов полимер, нанесен върху гъба от луфа.Скоростта на поглъщане на CO2 от биокомпозита е 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 биомаса d-1.Степента на усвояване се основава на сухата биомаса в началото на експеримента и включва CO2, използван за отглеждане на нова биомаса, както и CO2, съдържащ се в съединения за съхранение като въглехидрати.Тези нива на усвояване бяха 14-20 пъти по-високи от мерките за контрол на торовия тор и потенциално биха могли да бъдат увеличени до улавяне на 570 t CO2 t-1 биомаса на година-1, еквивалентно на 5,5-8,17 × 106 хектара земеползване, премахвайки 8-12 GtCO2 CO2 на година.За разлика от това, горската биоенергия с улавяне и съхранение на въглерод е 0,4–1,2 × 109 ha.Биокомпозитът остава функционален в продължение на 12 седмици без допълнителни хранителни вещества или вода, след което експериментът е прекратен.В рамките на многостранната технологична позиция на човечеството за борба с изменението на климата, проектираните и оптимизирани цианобактериални биокомпозити имат потенциала за устойчиво и мащабируемо внедряване, за да увеличат отстраняването на CO2, като същевременно намалят загубите на вода, хранителни вещества и използване на земята.
Изменението на климата е реална заплаха за глобалното биоразнообразие, стабилността на екосистемите и хората.За смекчаване на най-лошите му ефекти са необходими координирани и широкомащабни програми за обезвъглеродяване и, разбира се, е необходима някаква форма на директно отстраняване на парникови газове от атмосферата.Въпреки положителната декарбонизация на производството на електроенергия2,3, понастоящем няма икономически устойчиви технологични решения за намаляване на атмосферния въглероден диоксид (CO2)4, въпреки че улавянето на димните газове напредва5.Вместо мащабируеми и практични инженерни решения, хората трябва да се обърнат към естествените инженери за улавяне на въглерод – фотосинтезиращи организми (фототрофни организми).Фотосинтезата е природна технология за улавяне на въглерод, но нейната способност да обърне антропогенното обогатяване на въглерод в значими времеви мащаби е съмнителна, ензимите са неефективни и способността й да се разгръща в подходящи мащаби е съмнителна.Потенциален начин за фототрофия е залесяването, което изсича дървета за биоенергия с улавяне и съхранение на въглерод (BECCS) като технология за отрицателни емисии, която може да помогне за намаляване на нетните емисии на CO21.Въпреки това, за постигане на температурната цел от Парижкото споразумение от 1,5 °C, като се използва BECCS като основен метод, ще са необходими 0,4 до 1,2 × 109 ha, еквивалентни на 25–75% от настоящата глобална обработваема земя6.В допълнение, несигурността, свързана с глобалните ефекти от наторяването с CO2, поставя под въпрос потенциалната обща ефективност на горските насаждения7.Ако искаме да постигнем температурните цели, определени от Парижкото споразумение, 100 секунди GtCO2 парникови газове (GGR) трябва да бъдат премахнати от атмосферата всяка година.Министерството на изследванията и иновациите на Обединеното кралство наскоро обяви финансиране за пет проекта GGR8, включително управление на торфища, подобрено изветряне на скалите, засаждане на дървета, биовъглен и многогодишни култури за захранване на процеса BECCS.Разходите за премахване на повече от 130 MtCO2 от атмосферата годишно са 10-100 US$/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 годишно за възстановяване на торфища, 52-480 US$/tCO2 и 12-27 MtCO2 годишно за изветряне на скали , 0,4-30 USD/година.tCO2, 3,6 MtCO2/год, 1% увеличение в горската площ, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/год, биовъглен, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 на година за трайни култури, използващи BECCS9.
Комбинацията от тези подходи може потенциално да достигне целта от 130 Mt CO2 годишно, но разходите за изветряне на скалите и BECCS са високи, а биовъгленът, въпреки че е сравнително евтин и не е свързан с използването на земята, изисква суровина за производствения процес на биовъглен.предлага тази разработка и брой за внедряване на други GGR технологии.
Вместо да търсите решения на сушата, потърсете вода, особено едноклетъчни фототрофи като микроводорасли и цианобактерии10.Водораслите (включително цианобактериите) улавят приблизително 50% от световния въглероден диоксид, въпреки че представляват само 1% от световната биомаса11.Цианобактериите са оригиналните биогеоинженери на природата, полагащи основата за респираторния метаболизъм и еволюцията на многоклетъчния живот чрез кислородна фотосинтеза12.Идеята за използване на цианобактерии за улавяне на въглерод не е нова, но новаторските методи за физическо поставяне отварят нови хоризонти за тези древни организми.
Откритите езера и фотобиореакторите са активи по подразбиране при използване на микроводорасли и цианобактерии за промишлени цели.Тези системи за култивиране използват суспензионна култура, в която клетките плават свободно в растежна среда14;езерата и фотобиореакторите обаче имат много недостатъци като лош пренос на маса на CO2, интензивно използване на земя и вода, чувствителност към биозамърсяване и високи строителни и експлоатационни разходи15,16.Биореакторите с биофилм, които не използват суспензионни култури, са по-икономични по отношение на водата и пространството, но са изложени на риск от увреждане от изсушаване, склонни към отделяне на биофилм (и следователно загуба на активна биомаса) и са еднакво склонни към биообрастяне17.
Необходими са нови подходи за увеличаване на скоростта на усвояване на CO2 и за справяне с проблемите, които ограничават реакторите за суспензия и биофилм.Един такъв подход са фотосинтетичните биокомпозити, вдъхновени от лишеите.Лишеите са комплекс от гъби и фотобионти (микроводорасли и/или цианобактерии), които покриват приблизително 12% от земната площ18.Гъбите осигуряват физическа опора, защита и закотвяне на фотобиотичния субстрат, което от своя страна осигурява на гъбите въглерод (като излишни фотосинтетични продукти).Предложеният биокомпозит е „миметик на лишеите“, в който концентрирана популация от цианобактерии е имобилизирана под формата на тънко биопокритие върху носещ субстрат.В допълнение към клетките, биопокритието съдържа полимерна матрица, която може да замести гъбичките.Полимерните емулсии на водна основа или „латекси“ са предпочитани, защото са биосъвместими, издръжливи, евтини, лесни за боравене и налични в търговската мрежа19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Фиксирането на клетките с латексови полимери е силно повлияно от състава на латекса и процеса на образуване на филм.Емулсионната полимеризация е хетерогенен процес, използван за производство на синтетичен каучук, адхезивни покрития, уплътнители, добавки за бетон, хартиени и текстилни покрития и латексови бои27.Той има редица предимства пред други методи на полимеризация, като висока скорост на реакция и ефективност на преобразуване на мономера, както и лесен контрол на продукта27,28.Изборът на мономери зависи от желаните свойства на получения полимерен филм и за смесени мономерни системи (т.е. съполимеризации), свойствата на полимера могат да бъдат променени чрез избиране на различни съотношения на мономери, които образуват получения полимерен материал.Бутил акрилатът и стиренът са сред най-разпространените мономери на акрилния латекс и се използват тук.В допълнение, коалесциращи агенти (напр. Тексанол) често се използват за насърчаване на образуването на равномерен филм, където те могат да променят свойствата на полимерния латекс, за да произведат здраво и „непрекъснато“ (коалесциращо) покритие.В нашето първоначално проучване за доказателство на концепцията, 3D биокомпозит с голяма повърхност и висока порьозност беше произведен с помощта на търговска латексова боя, нанесена върху гъба от луфа.След дълги и непрекъснати манипулации (осем седмици) биокомпозитът показа ограничена способност да задържа цианобактерии върху скелето от луфа, тъй като клетъчният растеж отслаби структурната цялост на латекса.В настоящото проучване ние имахме за цел да разработим серия от акрилни латексни полимери с известна химия за продължителна употреба в приложения за улавяне на въглерод, без да се жертва разграждането на полимера.По този начин ние демонстрирахме способността да създаваме подобни на лишеи полимерни матрични елементи, които осигуряват подобрена биологична производителност и значително повишена механична еластичност в сравнение с доказани биокомпозити.По-нататъшното оптимизиране ще ускори усвояването на биокомпозитите за улавяне на въглерод, особено когато се комбинират с метаболитно модифицирани цианобактерии, за да подобрят улавянето на CO2.
Девет латекса с три полимерни състава (H = „твърд“, N = „нормален“, S = „мек“) и три вида Texanol (0, 4, 12% v/v) бяха тествани за токсичност и корелация на напрежението.Лепило.от две цианобактерии.Типът латекс значително повлиява S. elongatus PCC 7942 (тест на Shirer-Ray-Hare, латекс: DF=2, H=23,157, P=<0,001) и CCAP 1479/1A (двупосочен ANOVA, латекс: DF=2, F = 103.93, P = <0.001) (Фиг. 1а).Концентрацията на тексанол не повлиява значително растежа на S. elongatus PCC 7942, само N-латексът е нетоксичен (фиг. 1а), а 0 N и 4 N поддържат растеж съответно от 26% и 35% (Mann- Whitney U, 0 N срещу 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N спрямо контрола: W = 25,0, P = 0,061; 4 N спрямо контрола: W = 25,0, P = 0,061) и 12 N поддържа растеж, сравним към биологичен контрол (Mann-Whitney University, 12 N спрямо контрола: W = 17,0, P = 0,885).За S. elongatus CCAP 1479/1A както сместа от латекс, така и концентрацията на тексанол са важни фактори и се наблюдава значително взаимодействие между двете (двупосочен ANOVA, латекс: DF=2, F=103.93, P=<0.001, Texanol : DF=2, F=5.96, P=0.01, латекс*тексанол: DF=4, F=3.41, P=0.03).0 N и всички „меки“ латекси насърчават растежа (фиг. 1а).Съществува тенденция за подобряване на растежа с намаляване на стиреновия състав.
Тестване за токсичност и адхезия на цианобактерии (Synechococcus elongatus PCC 7942 и CCAP 1479/1A) към латексови състави, връзка с температурата на встъкляване (Tg) и матрица за вземане на решения въз основа на данни за токсичност и адхезия.( а ) Тестването за токсичност беше извършено с помощта на отделни графики на процентен растеж на цианобактерии, нормализирани за контрол на суспензионни култури.Леченията, отбелязани с *, се различават значително от контролите.( b ) Данни за растеж на цианобактерии спрямо Tg латекс (средно ± SD; n = 3).(c) Кумулативният брой цианобактерии, освободени от теста за адхезия на биокомпозита.(d) Данни за адхезия спрямо Tg на латекса (средно ± StDev; n = 3).e Матрица за вземане на решения въз основа на данни за токсичност и адхезия.Съотношението на стирен към бутилакрилат е 1:3 за „твърд“ (H) латекс, 1:1 за „нормален“ (N) и 3:1 за „мек“ (S).Предишните числа в кода на латекса отговарят на съдържанието на Texanol.
В повечето случаи жизнеспособността на клетките намалява с увеличаване на концентрацията на тексанол, но няма значима корелация за нито един от щамовете (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).На фиг.1b показва връзката между клетъчния растеж и температурата на встъкляване (Tg).Съществува силна отрицателна корелация между концентрацията на тексанол и стойностите на Tg (H-латекс: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-латекс: DF=7, r=-0,964, P=<0,001 S- латекс: DF=7, r=-0.946, P=<0.001).Данните показват, че оптималната Tg за растеж на S. elongatus PCC 7942 е около 17 °C (Фигура 1b), докато S. elongatus CCAP 1479/1A предпочита Tg под 0 °C (Фигура 1b).Само S. elongatus CCAP 1479/1A има силна отрицателна корелация между Tg и данните за токсичност (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Всички латекси имат добър афинитет на адхезия и нито един от тях не освобождава повече от 1% от клетките след 72 часа (фиг. 1в).Няма значима разлика между латексите на двата щама на S. elongatus (PCC 7942: тест на Scheirer-Ray-Hara, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- лъчев тест).– Тест на Харе, латекс*тексанол, DF=4, H=3,277, P=0,513).С увеличаването на концентрацията на Texanol се освобождават повече клетки (Фигура 1c).в сравнение със S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Фигура 1d).Освен това, няма статистическа връзка между Tg и клетъчната адхезия на двата щама (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
И за двата щама "твърдите" латексови полимери са неефективни.За разлика от тях, 4N и 12N се представиха най-добре срещу S. elongatus PCC 7942, докато 4S и 12S се представиха най-добре срещу CCAP 1479/1A (фиг. 1e), въпреки че очевидно има място за по-нататъшно оптимизиране на полимерната матрица.Тези полимери са били използвани в полусеридни тестове за нетно поглъщане на CO2.
Фотофизиологията се наблюдава в продължение на 7 дни, като се използват клетки, суспендирани във воден латексов състав.Като цяло както привидната скорост на фотосинтеза (PS), така и максималният квантов добив на PSII (Fv/Fm) намаляват с времето, но това намаление е неравномерно и някои набори от данни за PS показват двуфазен отговор, което предполага частичен отговор, въпреки че възстановяването в реално време по-кратка PS активност (фиг. 2а и 3б).Двуфазният Fv/Fm отговор беше по-слабо изразен (Фигури 2b и 3b).
(a) Привидна скорост на фотосинтеза (PS) и (b) максимален PSII квантов добив (Fv/Fm) на Synechococcus elongatus PCC 7942 в отговор на латексови формулировки в сравнение с контролни суспензионни култури.Съотношението на стирен към бутилакрилат е 1:3 за „твърд“ (H) латекс, 1:1 за „нормален“ (N) и 3:1 за „мек“ (S).Предишните числа в кода на латекса отговарят на съдържанието на Texanol.(средно ± стандартно отклонение; n = 3).
(a) Видима скорост на фотосинтеза (PS) и (b) максимален PSII квантов добив (Fv/Fm) на Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A в отговор на латексови формулировки в сравнение с контролни суспензионни култури.Съотношението на стирен към бутилакрилат е 1:3 за „твърд“ (H) латекс, 1:1 за „нормален“ (N) и 3:1 за „мек“ (S).Предишните числа в кода на латекса отговарят на съдържанието на Texanol.(средно ± стандартно отклонение; n = 3).
За S. elongatus PCC 7942 съставът на латекса и концентрацията на Texanol не повлияват PS с течение на времето (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), въпреки че съставът е важен фактор (GLM)., латекс*време, DF = 14, F = 3.14, P = <0.001) (Фиг. 2а).Няма значим ефект от концентрацията на Texanol във времето (GLM, Texanol*време, DF=14, F=1,63, P=0,078).Има значително взаимодействие, засягащо Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Взаимодействието между латексната формула и концентрацията на Texanol има значителен ефект върху Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180.42, P=<0.001).Всеки параметър също влияе върху Fv/Fm във времето (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 и Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=<0,001).Латекс 12H поддържа най-ниските средни стойности на PS и Fv/Fm (фиг. 2b), което показва, че този полимер е по-токсичен.
PS на S. elongatus CCAP 1479/1A е значително различен (GLM, латекс * тексанол * време, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), със състав на латекс, а не с концентрация на тексанол (GLM, латекс * време, DF =14, F=6.38, P=<0.001, GLM, Texanol*време, DF=14, F=1.26, P=0.239).„Меките“ полимери 0S и 4S поддържат малко по-високи нива на PS ефективност в сравнение с контролните суспензии (Mann-Whitney U, 0S спрямо контролите, W = 686.0, P = 0.044, 4S спрямо контролите, W = 713, P = 0.01) и поддържат подобрен Fv./Fm (Фиг. 3а) показва по-ефективен транспорт до Photosystem II.За стойностите на Fv/Fm на CCAP 1479/1A клетки имаше значителна разлика в латекса във времето (GLM, латекс*тексанол*време, DF=28, F=6.00, P=<0.001) (Фигура 3b).).
На фиг.4 показва средните PS и Fv/Fm за период от 7 дни като функция на клетъчния растеж за всеки щам.S. elongatus PCC 7942 няма ясен модел (фиг. 4a и b), но CCAP 1479/1A показва параболична връзка между стойностите на PS (фиг. 4c) и Fv/Fm (фиг. 4d) като съотношенията на стирен и бутил акрилат нарастват с промяната.
Връзка между растежа и фотофизиологията на Synechococcus longum върху латексови препарати.(a) Данни за токсичност, нанесени спрямо привидната скорост на фотосинтеза (PS), (b) максимален квантов добив на PSII (Fv/Fm) на PCC 7942. c Данни за токсичност, нанесени спрямо PS и d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Съотношението на стирен към бутилакрилат е 1:3 за „твърд“ (H) латекс, 1:1 за „нормален“ (N) и 3:1 за „мек“ (S).Предишните числа в кода на латекса отговарят на съдържанието на Texanol.(средно ± стандартно отклонение; n = 3).
Биокомпозитът PCC 7942 има ограничен ефект върху задържането на клетки със значително извличане на клетки през първите четири седмици (Фигура 5).След началната фаза на поглъщане на CO2, клетките, фиксирани с 12 N латекс, започнаха да освобождават CO2 и този модел се запази между дните 4 и 14 (фиг. 5b).Тези данни са в съответствие с наблюденията на обезцветяването на пигмента.Нетното поглъщане на CO2 започна отново от ден 18. Въпреки освобождаването на клетките (фиг. 5а), биокомпозитът PCC 7942 12 N все още натрупва повече CO2 от контролната суспензия за 28 дни, макар и малко (U-тест на Mann-Whitney, W = 2275.5; Р = 0,066).Скоростта на абсорбция на CO2 от латекс 12 N и 4 N е 0,51 ± 0,34 и 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 биомаса d-1.Имаше статистически значима разлика между нивата на лечение и време (тест на Chairer-Ray-Hare, лечение: DF=2, H=70,62, P=<0,001 време: DF=13, H=23,63, P=0,034), но не беше.има значима връзка между лечението и времето (тест на Chairer-Ray-Har, време*лечение: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Тестове за поглъщане на CO2 на половин партида върху биокомпозити Synechococcus elongatus PCC 7942, използващи 4N и 12N латекс.( а ) Изображенията показват освобождаване на клетките и обезцветяване на пигмента, както и SEM изображения на биокомпозита преди и след тестване.Белите пунктирани линии показват местата на отлагане на клетки върху биокомпозита.б) Кумулативно нетно поглъщане на CO2 за период от четири седмици.„Нормалният“ (N) латекс има съотношение стирен към бутилакрилат 1:1.Предишните числа в кода на латекса отговарят на съдържанието на Texanol.(средно ± стандартно отклонение; n = 3).
Клетъчното задържане е значително подобрено за щам CCAP 1479/1A с 4S и 12S, въпреки че пигментът бавно променя цвета си с течение на времето (фиг. 6а).Biocomposite CCAP 1479/1A абсорбира CO2 за цели 84 дни (12 седмици) без допълнителни хранителни добавки.SEM анализът (фиг. 6а) потвърди визуалното наблюдение на отделяне на малки клетки.Първоначално клетките бяха обвити в латексово покритие, което запази целостта си въпреки клетъчния растеж.Степента на усвояване на CO2 беше значително по-висока от контролната група (тест на Scheirer-Ray-Har, лечение: DF=2; H=240,59; P=<0,001, време: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Фиг. 6b).12S биокомпозитът постигна най-високото усвояване на CO2 (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 биомаса на ден), докато 4S латексът беше 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 биомаса на ден, но те не се различават значително (Mann-Whitney U .тест, W = 1507,50; P = 0,07) и няма значително взаимодействие между лечението и времето (тест на Shirer-Rey-Hara, време * лечение: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Тестване за поглъщане на половин партида на CO2 с използване на биокомпозити Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A с 4N и 12N латекс.( а ) Изображенията показват освобождаване на клетките и обезцветяване на пигмента, както и SEM изображения на биокомпозита преди и след тестване.Белите пунктирани линии показват местата на отлагане на клетки върху биокомпозита.б) Кумулативно нетно поглъщане на CO2 за периода от дванадесет седмици.“Мекият” (S) латекс има съотношение стирен към бутилакрилат 1:1.Предишните числа в кода на латекса отговарят на съдържанието на Texanol.(средно ± стандартно отклонение; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (тест на Shirer-Ray-Har, време*третиране: DF=4, H=3,243, P=0,518) или биокомпозит S. elongatus CCAP 1479/1A (две ANOVA, време*третиране: DF=8 , F = 1.79, P = 0.119) (фиг. S4).Biocomposite PCC 7942 има най-високо съдържание на въглехидрати на седмица 2 (4 N = 59,4 ± 22,5 wt%, 12 N = 67,9 ± 3,3 wt%), докато контролната суспензия има най-високо съдържание на въглехидрати на седмица 4, когато (контрола = 59,6 ± 2,84% w/w).Общото съдържание на въглехидрати в биокомпозита CCAP 1479/1A беше сравнимо с контролната суспензия, с изключение на началото на изпитването, с някои промени в 12S латекса на седмица 4. Най-високите стойности за биокомпозита бяха 51,9 ± 9,6 тегл.% за 4S и 77.1 ± 17.0 тегл.% за 12S.
Ние се заехме да демонстрираме възможности за проектиране за подобряване на структурната цялост на тънкослойните латексови полимерни покрития като важен компонент на концепцията за биокомпозит, имитиращ лишеи, без да се жертва биосъвместимостта или производителността.Наистина, ако структурните предизвикателства, свързани с клетъчния растеж, бъдат преодолени, ние очакваме значителни подобрения в производителността спрямо нашите експериментални биокомпозити, които вече са сравними с други системи за улавяне на въглерод от цианобактерии и микроводорасли.
Покритията трябва да са нетоксични, издръжливи, да поддържат дълготрайна клетъчна адхезия и трябва да са порести, за да насърчават ефективен масов трансфер на CO2 и обезгазяване на O2.Акрилните полимери от латексов тип са лесни за приготвяне и се използват широко в бояджийската, текстилната и лепилната промишленост30.Ние комбинирахме цианобактерии с акрилна латексова полимерна емулсия на водна основа, полимеризирана със специфично съотношение на частици стирен/бутил акрилат и различни концентрации на Texanol.Стиренът и бутилакрилатът бяха избрани, за да могат да контролират физичните свойства, особено еластичността и ефективността на коалесценция на покритието (критично за силно и силно адхезивно покритие), позволявайки синтеза на „твърди“ и „меки“ агрегати от частици.Данните за токсичност предполагат, че „твърдият“ латекс с високо съдържание на стирен не е благоприятен за оцеляването на цианобактериите.За разлика от бутилакрилата, стиренът се счита за токсичен за водораслите32,33.Щамовете на цианобактериите реагират доста различно на латекса и оптималната температура на встъкляване (Tg) се определя за S. elongatus PCC 7942, докато S. elongatus CCAP 1479/1A показва отрицателна линейна връзка с Tg.
Температурата на сушене влияе върху способността за образуване на непрекъснат равномерен латексов филм.Ако температурата на сушене е под минималната температура на образуване на филм (MFFT), частиците на полимерния латекс няма да се слеят напълно, което ще доведе до адхезия само на границата на частиците.Получените филми имат лоша адхезия и механична якост и дори могат да бъдат в прахообразна форма29.MFFT е тясно свързан с Tg, който може да се контролира чрез мономерен състав и добавяне на коалесценти като Texanol.Tg определя много от физичните свойства на полученото покритие, което може да бъде в гумено или стъкловидно състояние34.Съгласно уравнението на Флори-Фокс35, Tg зависи от вида на мономера и относителния процентен състав.Добавянето на коалесцент може да понижи MFFT чрез периодично потискане на Tg на латексните частици, което позволява образуването на филм при по-ниски температури, но все още образува твърдо и здраво покритие, тъй като коалесцентът бавно се изпарява с течение на времето или е бил извлечен 36 .
Увеличаването на концентрацията на Texanol насърчава образуването на филм чрез омекотяване на полимерните частици (намаляване на Tg) поради абсорбция от частиците по време на сушене, като по този начин се увеличава силата на кохезионния филм и клетъчната адхезия.Тъй като биокомпозитът се суши при стайна температура (~18–20°C), Tg (30 до 55°C) на „твърдия“ латекс е по-висока от температурата на сушене, което означава, че коалесценцията на частиците може да не е оптимална, което води до B филми, които остават стъкловидни, лоши механични и адхезивни свойства, ограничена еластичност и дифузия30 в крайна сметка водят до по-голяма загуба на клетки.Образуването на филм от „нормални“ и „меки“ полимери става при или под Tg на полимерния филм и образуването на филм се подобрява чрез подобрена коалесценция, което води до непрекъснати полимерни филми с подобрени механични, кохезионни и адхезивни свойства.Полученият филм ще остане гумен по време на експериментите за улавяне на CO2, тъй като неговата Tg е близка до („нормална“ смес: 12 до 20 ºC) или много по-ниска („мека“ смес: -21 до -13 °C) до температура на околната среда 30 .„Твърдият“ латекс (3,4 до 2,9 kgf mm–1) е три пъти по-твърд от „нормалния“ латекс (1,0 до 0,9 kgf mm–1).Твърдостта на "меките" латекси не може да се измери чрез микротвърдост поради тяхната прекомерна гуменост и лепкавост при стайна температура.Повърхностният заряд също може да повлияе на афинитета на адхезия, но са необходими повече данни, за да се предостави значима информация.Всички латекси обаче ефективно задържат клетките, освобождавайки по-малко от 1%.
Производителността на фотосинтезата намалява с времето.Излагането на полистирол води до разрушаване на мембраната и оксидативен стрес38,39,40,41.Стойностите на Fv/Fm на S. elongatus CCAP 1479/1A, изложени на 0S и 4S, са почти два пъти по-високи в сравнение с контролата на суспензията, което е в добро съгласие със степента на поглъщане на CO2 от биокомпозита 4S, както и с по-ниски средни стойности на PS.стойности.По-високите стойности на Fv/Fm показват, че транспортирането на електрони към PSII може да достави повече фотони42, което може да доведе до по-високи скорости на фиксиране на CO2.Въпреки това, трябва да се отбележи, че фотофизиологичните данни са получени от клетки, суспендирани във водни латексни разтвори и може да не са непременно директно сравними със зрели биокомпозити.
Ако латексът създава бариера за светлина и/или обмен на газ, което води до ограничаване на светлината и CO2, той може да причини клетъчен стрес и да намали производителността, а ако повлияе на освобождаването на O2, фотодишането39.Пропускливостта на светлината на втвърдените покрития беше оценена: „твърдият“ латекс показа леко намаление на пропускането на светлина между 440 и 480 nm (подобрено отчасти чрез увеличаване на концентрацията на Texanol поради подобрена коалесценция на филма), докато „мекият“ и „обикновеният“ ” латекс показа леко намаление на пропускането на светлина.не показва забележима загуба на загуба.Анализите, както и всички инкубации, бяха извършени при нисък интензитет на светлината (30,5 µmol m-2 s-1), така че всяка фотосинтетично активна радиация, дължаща се на полимерната матрица, ще бъде компенсирана и дори може да бъде полезна за предотвратяване на фотоинхибиране.при увреждащ интензитет на светлината.
Биокомпозитът CCAP 1479/1A функционира по време на 84-те дни на тестване, без оборот на хранителни вещества или значителна загуба на биомаса, което е ключова цел на изследването.Клетъчната депигментация може да бъде свързана с процес на хлороза в отговор на азотен глад за постигане на дългосрочно оцеляване (състояние на покой), което може да помогне на клетките да възобновят растежа си, след като е постигнато достатъчно натрупване на азот.SEM изображенията потвърдиха, че клетките остават вътре в покритието въпреки клетъчното делене, демонстрирайки еластичността на „мекия“ латекс и по този начин показвайки ясно предимство пред експерименталната версия.„Мекият” латекс съдържа около 70% бутилакрилат (тегловно), което е много по-високо от посочената концентрация за гъвкаво покритие след изсъхване44.
Нетното поглъщане на CO2 е значително по-високо от това на контролната суспензия (14–20 и 3–8 пъти по-високо съответно за S. elongatus CCAP 1479/1A и PCC 7942).Преди това използвахме модел на масов трансфер на CO2, за да покажем, че основният двигател на високото поглъщане на CO2 е рязък градиент на концентрация на CO2 на повърхността на биокомпозита31 и че ефективността на биокомпозита може да бъде ограничена от устойчивост на масов трансфер.Този проблем може да бъде преодолян чрез включване на нетоксични, необразуващи филм съставки в латекса, за да се увеличи порьозността и пропускливостта на покритието26, но задържането на клетките може да бъде компрометирано, тъй като тази стратегия неизбежно ще доведе до по-слаб филм20.Химическият състав може да бъде променен по време на полимеризацията, за да се увеличи порьозността, което е най-добрият вариант, особено по отношение на промишленото производство и скалируемостта45.
Ефективността на новия биокомпозит в сравнение с последните проучвания, използващи биокомпозити от микроводорасли и цианобактерии, показа предимства при регулиране на скоростта на натоварване на клетките (Таблица 1)21,46 и с по-дълги времена за анализ (84 дни срещу 15 часа46 и 3 седмици21).
Обемното съдържание на въглехидрати в клетките се сравнява благоприятно с други изследвания 47, 48, 49, 50, използващи цианобактерии, и се използва като потенциален критерий за приложения за улавяне и използване/възстановяване на въглерод, като например за процеси на ферментация BECCS 49, 51 или за производство на биоразградими биопластмаса52 .Като част от обосновката за това проучване, ние приемаме, че залесяването, дори взето предвид в концепцията за отрицателни емисии на BECCS, не е панацея за изменението на климата и консумира тревожен дял от световната обработваема земя6.Като мисловен експеримент беше изчислено, че между 640 и 950 GtCO2 ще трябва да бъдат премахнати от атмосферата до 2100 г., за да се ограничи повишаването на глобалната температура до 1,5°C53 (около 8 до 12 GtCO2 на година).Постигането на това с по-добър биокомпозит (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 биомаса на година-1) би изисквало разширяване на обема от 5,5 × 1010 до 8,2 × 1010 m3 (със сравнима фотосинтетична ефективност), съдържащо от 196 до 2,92 милиарда литра полимер.Ако приемем, че 1 m3 биокомпозити заемат 1 m2 земна площ, площта, необходима за абсорбиране на целевия общ годишен CO2 ще бъде между 5,5 и 8,17 милиона хектара, което е еквивалентно на 0,18-0,27% от подходящите за живот земи в тропиците и намаляване на земната площ.нужда от BECCS с 98-99%.Трябва да се отбележи, че теоретичното съотношение на улавяне се основава на абсорбцията на CO2, регистрирана при слаба светлина.Веднага щом биокомпозитът бъде изложен на по-интензивна естествена светлина, скоростта на поглъщане на CO2 се увеличава, което допълнително намалява изискванията за земя и накланя везните към концепцията за биокомпозит.Изпълнението обаче трябва да е на екватора за постоянен интензитет и продължителност на подсветката.
Глобалният ефект от наторяването с CO2, т.е. увеличаването на продуктивността на растителността, причинено от повишената наличност на CO2, е намалял в повечето земни площи, вероятно поради промени в ключовите хранителни вещества в почвата (N и P) и водните ресурси7.Това означава, че наземната фотосинтеза може да не доведе до увеличаване на усвояването на CO2, въпреки повишените концентрации на CO2 във въздуха.В този контекст наземните стратегии за смекчаване на изменението на климата като BECCS са дори по-малко вероятно да успеят.Ако този глобален феномен бъде потвърден, нашият вдъхновен от лишеите биокомпозит може да бъде ключов актив, трансформиращ едноклетъчните водни фотосинтезиращи микроби в „земни агенти“.Повечето сухоземни растения фиксират CO2 чрез C3 фотосинтеза, докато C4 растенията са по-благоприятни за по-топли, сухи местообитания и са по-ефективни при по-високи парциални налягания на CO254.Цианобактериите предлагат алтернатива, която може да компенсира тревожните прогнози за намалено излагане на въглероден диоксид в C3 растенията.Цианобактериите са преодолели фотореспираторните ограничения чрез разработване на ефективен механизъм за обогатяване на въглерод, при който по-високи парциални налягания на CO2 се представят и поддържат от рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза/оксигеназа (RuBisCo) в карбоксизомите наоколо.Ако производството на цианобактериални биокомпозити може да се увеличи, това може да се превърне във важно оръжие за човечеството в борбата срещу изменението на климата.
Биокомпозитите (мимитиращи лишеи) предлагат ясни предимства пред конвенционалните микроводорасли и суспензионни култури от цианобактерии, осигурявайки по-високи нива на поглъщане на CO2, минимизиране на рисковете от замърсяване и обещаващо конкурентно избягване на CO2.Разходите значително намаляват използването на земя, вода и хранителни вещества56.Това проучване демонстрира осъществимостта на разработването и производството на високоефективен биосъвместим латекс, който, когато се комбинира с гъба от луфа като кандидат субстрат, може да осигури ефективно и ефективно усвояване на CO2 в продължение на месеци на операция, като същевременно поддържа загубата на клетки до минимум.Биокомпозитите биха могли теоретично да уловят приблизително 570 t CO2 t-1 биомаса годишно и може да се окажат по-важни от стратегиите за залесяване на BECCS в нашия отговор на изменението на климата.С по-нататъшно оптимизиране на полимерния състав, тестване при по-висок интензитет на светлината и съчетано със сложно метаболитно инженерство, оригиналните биогеоинженери на природата отново могат да дойдат на помощ.
Акрилните латексни полимери се приготвят като се използва смес от стиренови мономери, бутилакрилат и акрилова киселина и рН се коригира до 7 с 0.1 М натриев хидроксид (таблица 2).Стиренът и бутилакрилатът съставляват по-голямата част от полимерните вериги, докато акриловата киселина помага за задържането на частиците латекс в суспензия57.Структурните свойства на латекса се определят от температурата на встъкляване (Tg), която се контролира чрез промяна на съотношението на стирен и бутил акрилат, което осигурява съответно „твърди“ и „меки“ свойства58.Типичният акрилен латексов полимер е 50:50 стирен:бутилакрилат 30, така че в това изследване латексът с това съотношение се нарича „нормален“ латекс, а латексът с по-високо съдържание на стирен се нарича латекс с по-ниско съдържание на стирен .наречен „мек“ като „твърд“.
Приготвя се първична емулсия, използвайки дестилирана вода (174 g), натриев бикарбонат (0.5 g) и Rhodapex Ab/20 повърхностно активно вещество (30.92 g) (Solvay) за стабилизиране на 30-те мономерни капчици.Като се използва стъклена спринцовка (Science Glass Engineering) със спринцовкова помпа, вторична аликвотна част, съдържаща стирен, бутил акрилат и акрилова киселина, изброени в таблица 2, се добавя на капки със скорост 100 ml h-1 към първичната емулсия в продължение на 4 часа (Cole - Палмър, Маунт Върнън, Илинойс).Пригответе разтвор на инициатор на полимеризация 59, като използвате dHO и амониев персулфат (100 ml, 3% w/w).
Разбъркайте разтвора, съдържащ dHO (206 g), натриев бикарбонат (1 g) и Rhodapex Ab/20 (4,42 g), като използвате горна бъркалка (Heidolph Hei-TORQUE стойност 100) с перка от неръждаема стомана и загрейте до 82°C в съд с водна риза в нагрята водна баня VWR Scientific 1137P.Разтвор с намалено тегло на мономер (28.21 g) и инициатор (20.60 g) се добавя на капки към съда с кожух и се разбърква в продължение на 20 минути.Смесете енергично останалите разтвори на мономер (150 ml h-1) и инициатор (27 ml h-1), за да запазите частиците в суспензия, докато бъдат добавени към водната риза за 5 часа, като използвате съответно 10 ml спринцовки и 100 ml в контейнер .в комплект със спринцовка.Скоростта на бъркалката беше увеличена поради увеличаването на обема на суспензията, за да се осигури задържане на суспензията.След добавяне на инициатора и емулсията, реакционната температура се повишава до 85°С, разбърква се добре при 450 rpm за 30 минути, след което се охлажда до 65°С.След охлаждане към латекса се добавят два заместващи разтвора: терт-бутил хидропероксид (t-BHP) (70% във вода) (5 g, 14% тегловни) и изоаскорбинова киселина (5 g, 10% тегловни)..Добавете t-BHP капка по капка и оставете за 20 минути.След това се добавя ериторбинова киселина със скорост 4 ml/h от 10 ml спринцовка, като се използва помпа за спринцовка.След това латексният разтвор се охлажда до стайна температура и рН се регулира до 7 с 0.1 М натриев хидроксид.
2,2,4-триметил-1,3-пентандиол моноизобутират (тексанол) – нискотоксичен биоразградим коалесцент за латексови бои 37,60 – се добавя със спринцовка и помпа в три обема (0, 4, 12% v/v) като коалесциращ агент за латексова смес за улесняване на образуването на филм по време на сушене37.Процентът на латексовите твърди вещества се определя чрез поставяне на 100 ul от всеки полимер в предварително претеглени капачки от алуминиево фолио и изсушаване в пещ при 100°C за 24 часа.
За пропускане на светлина, всяка латексна смес се нанася върху предметно стъкло на микроскоп, като се използва капков куб от неръждаема стомана, калибриран да произвежда 100 µm филми и се изсушава при 20°C в продължение на 48 часа.Светлинното предаване (фокусирано върху фотосинтетично активно лъчение, λ 400–700 nm) се измерва на спектрорадиометър ILT950 SpectriLight със сензор на разстояние 35 cm от 30 W флуоресцентна лампа (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – където светлината източникът е бил цианобактерия и организми. Композитните материали са запазени.Софтуерът SpectrILight III версия 3.5 беше използван за запис на осветеност и предаване в диапазона λ 400–700 nm61.Всички проби бяха поставени върху сензора и стъклени предметни стъкла без покритие бяха използвани като контроли.
Пробите от латекс се добавят към силиконов съд за печене и се оставят да изсъхнат за 24 часа, преди да бъдат тествани за твърдост.Поставете изсушената проба от латекс върху стоманена капачка под x10 микроскоп.След фокусиране, пробите бяха оценени на микротвърдомер Buehler Micromet II.Пробата беше подложена на сила от 100 до 200 грама и времето за натоварване беше зададено на 7 секунди, за да се създаде диамантена вдлъбнатина в пробата.Отпечатъкът беше анализиран с помощта на микроскопски обектив Bruker Alicona × 10 с допълнителен софтуер за измерване на формата.Формулата за твърдост на Викерс (Уравнение 1) беше използвана за изчисляване на твърдостта на всеки латекс, където HV е числото на Викерс, F е приложената сила и d е средната стойност на диагоналите на отстъпа, изчислена от височината и ширината на латекса.стойност на отстъпа.„Мекият“ латекс не може да бъде измерен поради адхезия и разтягане по време на теста за вдлъбнатина.
За да се определи температурата на встъкляване (Tg) на латексния състав, полимерни проби се поставят в чаши със силикагел, сушат се 24 часа, претеглят се до 0,005 g и се поставят в чаши за проби.Съдът се затваря и се поставя в диференциално сканиращ колориметър (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, софтуер за анализ на данни Pyris)62.Методът на топлинния поток се използва за поставяне на еталонни чаши и чаши за проби в една и съща фурна с вградена температурна сонда за измерване на температурата.Бяха използвани общо две рампи за създаване на последователна крива.Методът на пробата се повишава многократно от -20°C до 180°C със скорост 20°C на минута.Всяка начална и крайна точка се съхраняват за 1 минута, за да се отчете забавянето на температурата.
За да се оцени способността на биокомпозита да абсорбира CO2, пробите бяха подготвени и тествани по същия начин, както в нашето предишно проучване31.Изсушената и автоклавирана кърпа се нарязва на ленти с приблизително 1 × 1 × 5 cm и се претегля.Нанесете 600 µl от двете най-ефективни биопокрития на всеки щам цианобактерии в единия край на всяка лента от луфа, покривайки приблизително 1 × 1 × 3 cm, и изсушете на тъмно при 20°C за 24 часа.Поради макропорестата структура на луфата, част от формулата беше изразходвана, така че ефективността на зареждане на клетките не беше 100%.За да се преодолее този проблем, теглото на сухия препарат върху луфа беше определено и нормализирано към референтния сух препарат.Абиотичните контроли, състоящи се от луфа, латекс и стерилна хранителна среда, се приготвят по подобен начин.
За да извършите тест за поемане на CO2 на половин партида, поставете биокомпозита (n = 3) в стъклена епруветка от 50 ml, така че единият край на биокомпозита (без биопокритието) да е в контакт с 5 ml среда за растеж, позволявайки на хранителното вещество да се транспортират чрез капилярно действие..Бутилката е запечатана с бутилова гумена тапа с диаметър 20 mm и гофрирана със сребриста алуминиева капачка.След като се запечата, инжектирайте 45 ml 5% CO2/въздух със стерилна игла, прикрепена към газонепроницаема спринцовка.Клетъчната плътност на контролната суспензия (n = 3) е еквивалентна на клетъчното натоварване на биокомпозита в хранителната среда.Тестовете бяха проведени при 18 ± 2 °C с фотопериод 16:8 и фотопериод 30,5 µmol m-2 s-1.Главното пространство се отстранява на всеки два дни с газонепроницаема спринцовка и се анализира с CO2 метър с инфрачервена абсорбция GEOTech G100, за да се определи процентът на абсорбирания CO2.Добавете равен обем газова смес CO2.
% CO2 Fix се изчислява, както следва: % CO2 Fix = 5% (v/v) – напишете %CO2 (уравнение 2), където P = налягане, V = обем, T = температура и R = идеална газова константа.
Докладваните нива на поглъщане на CO2 за контролни суспензии от цианобактерии и биокомпозити бяха нормализирани към небиологични контроли.Функционалната единица g биомаса е количеството суха биомаса, имобилизирана върху кърпата.Определя се чрез претегляне на проби от луфа преди и след клетъчна фиксация.Отчитане на масата на клетъчното натоварване (еквивалент на биомаса) чрез индивидуално претегляне на препаратите преди и след изсушаване и чрез изчисляване на плътността на клетъчния препарат (уравнение 3).Приема се, че клетъчните препарати са хомогенни по време на фиксиране.
Minitab 18 и Microsoft Excel с добавката RealStatistics бяха използвани за статистически анализ.Нормалността се тества с помощта на теста на Anderson-Darling, а равенството на дисперсиите се тества с помощта на теста на Levene.Данните, отговарящи на тези предположения, бяха анализирани с помощта на двупосочен дисперсионен анализ (ANOVA) с теста на Tukey като post hoc анализ.Двупосочните данни, които не отговарят на предположенията за нормалност и еднаква вариация, бяха анализирани с помощта на теста Shirer-Ray-Hara и след това U-теста на Mann-Whitney, за да се определи значимостта между леченията.Обобщените линейни смесени (GLM) модели бяха използвани за ненормални данни с три фактора, където данните бяха трансформирани с помощта на трансформацията на Джонсън63.Моментните корелации на продуктите на Pearson бяха извършени, за да се оцени връзката между концентрацията на Texanol, температурата на встъкляване и данните за токсичността на латекса и адхезията.
Време на публикуване: 5 януари 2023 г