Takk for at du besøker Nature.com.Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I tillegg, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Viser en karusell med tre lysbilder samtidig.Bruk Forrige og Neste-knappene for å gå gjennom tre lysbilder om gangen, eller bruk skyveknappene på slutten for å gå gjennom tre lysbilder om gangen.
Karbonfangst og -lagring er avgjørende for å nå målene i Parisavtalen.Fotosyntese er naturens teknologi for å fange karbon.Med inspirasjon fra lav utviklet vi en 3D-cyanobakterie fotosyntetisk biokompositt (dvs. etterlignende lav) ved å bruke en akryllatex-polymer påført en loofah-svamp.Hastigheten for CO2-opptak av biokompositten var 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 av biomasse d-1.Opptakshastigheten er basert på tørr biomasse ved begynnelsen av forsøket og inkluderer CO2 brukt til å dyrke ny biomasse samt CO2 som finnes i lagringsforbindelser som karbohydrater.Disse opptaksratene var 14-20 ganger høyere enn slurrykontrolltiltak og kan potensielt skaleres opp til å fange 570 t CO2 t-1 biomasse per år-1, tilsvarende 5,5-8,17 × 106 hektar arealbruk, og fjerne 8-12 GtCO2 CO2 per år.Derimot er skogbioenergi med karbonfangst og -lagring 0,4–1,2 × 109 ha.Biokompositten forble funksjonell i 12 uker uten ytterligere næringsstoffer eller vann, hvoretter forsøket ble avsluttet.Innenfor menneskehetens mangefasetterte teknologiske holdning for å bekjempe klimaendringer, har konstruerte og optimaliserte cyanobakterielle biokompositter potensialet for bærekraftig og skalerbar distribusjon for å øke CO2-fjerning samtidig som tap av vann, næringsstoffer og arealbruk reduseres.
Klimaendringer er en reell trussel mot globalt biologisk mangfold, økosystemstabilitet og mennesker.For å dempe de verste effektene er det nødvendig med koordinerte og storskala avkarboniseringsprogrammer, og selvfølgelig kreves det en eller annen form for direkte fjerning av klimagasser fra atmosfæren.Til tross for positiv avkarbonisering av elektrisitetsproduksjon2,3, finnes det for tiden ingen økonomisk bærekraftige teknologiske løsninger for å redusere atmosfærisk karbondioksid (CO2)4, selv om fangst av røykgass er i fremgang5.I stedet for skalerbare og praktiske tekniske løsninger, bør folk henvende seg til naturlige ingeniører for karbonfangst – fotosyntetiske organismer (fototrofe organismer).Fotosyntese er naturens karbonbindingsteknologi, men dens evne til å reversere menneskeskapt karbonberikelse på meningsfulle tidsskalaer er tvilsom, enzymer er ineffektive, og dens evne til å distribuere i passende skalaer er tvilsom.En potensiell vei for fototrofi er skogplanting, som kutter trær for bioenergi med karbonfangst og -lagring (BECCS) som en negativ utslippsteknologi som kan bidra til å redusere netto CO21-utslipp.For å nå Parisavtalens temperaturmål på 1,5°C ved bruk av BECCS som hovedmetode vil det imidlertid kreves 0,4 til 1,2 × 109 ha, tilsvarende 25–75 % av dagens globale dyrkbar jord6.I tillegg setter usikkerheten knyttet til de globale effektene av CO2-gjødsling spørsmålstegn ved den potensielle samlede effektiviteten til skogplantasjer7.Skal vi nå temperaturmålene satt av Parisavtalen, må 100 sekunder av GtCO2 av klimagasser (GGR) fjernes fra atmosfæren hvert år.Det britiske departementet for forskning og innovasjon annonserte nylig midler til fem GGR8-prosjekter, inkludert torvmarksforvaltning, forbedret steinforvitring, treplanting, biokull og flerårige avlinger for å mate BECCS-prosessen.Kostnadene for å fjerne mer enn 130 MtCO2 fra atmosfæren per år er 10-100 US$/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 per år for restaurering av torvmark, 52-480 US$/tCO2 og 12-27 MtCO2 per år for forvitring av bergarter , 0,4–30 USD/år.tCO2, 3,6 MtCO2/år, 1 % økning i skogareal, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/år, biokull, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 per år for permanente avlinger ved hjelp av BECCS9.
En kombinasjon av disse tilnærmingene kan potensielt nå målet på 130 Mt CO2 per år, men kostnadene ved bergforvitring og BECCS er høye, og biokull, selv om det er relativt billig og ikke-relatert til arealbruk, krever råstoff for biokullproduksjonsprosessen.tilbyr denne utviklingen og nummeret for å distribuere andre GGR-teknologier.
I stedet for å lete etter løsninger på land, se etter vann, spesielt encellede fototrofer som mikroalger og cyanobakterier10.Alger (inkludert cyanobakterier) fanger opp omtrent 50 % av verdens karbondioksid, selv om de utgjør bare 1 % av verdens biomasse11.Cyanobakterier er naturens originale biogeoingeniører, og legger grunnlaget for respiratorisk metabolisme og utviklingen av flercellet liv gjennom oksygenisk fotosyntese12.Ideen om å bruke cyanobakterier for å fange karbon er ikke ny, men innovative metoder for fysisk plassering åpner nye horisonter for disse eldgamle organismene.
Åpne dammer og fotobioreaktorer er standardverdier ved bruk av mikroalger og cyanobakterier til industrielle formål.Disse kultursystemene bruker en suspensjonskultur der cellene flyter fritt i et vekstmedium14;men dammer og fotobioreaktorer har mange ulemper som dårlig CO2-masseoverføring, intensiv bruk av land og vann, mottakelighet for biobegroing og høye konstruksjons- og driftskostnader15,16.Biofilmbioreaktorer som ikke bruker suspensjonskulturer er mer økonomiske med tanke på vann og plass, men er i fare for uttørkingsskader, utsatt for biofilmløsning (og dermed tap av aktiv biomasse), og er like utsatt for biobegroing17.
Nye tilnærminger er nødvendig for å øke hastigheten på CO2-opptaket og løse problemene som begrenser slurry- og biofilmreaktorer.En slik tilnærming er fotosyntetiske biokompositter inspirert av lav.Lav er et kompleks av sopp og fotobionter (mikroalger og/eller cyanobakterier) som dekker omtrent 12 % av jordens landareal18.Soppene gir fysisk støtte, beskyttelse og forankring av det fotobiotiske substratet, som igjen gir soppen karbon (som overflødig fotosyntetiske produkter).Den foreslåtte biokompositten er en "lavmimetikk", der en konsentrert populasjon av cyanobakterier immobiliseres i form av et tynt biobelegg på et bærersubstrat.I tillegg til celler inneholder biocoatingen en polymermatrise som kan erstatte soppen.Vannbaserte polymeremulsjoner eller "latexer" foretrekkes fordi de er biokompatible, holdbare, rimelige, enkle å håndtere og kommersielt tilgjengelige19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Fikseringen av celler med latekspolymerer er sterkt påvirket av sammensetningen av lateksen og prosessen med filmdannelse.Emulsjonspolymerisering er en heterogen prosess som brukes til å produsere syntetisk gummi, limbelegg, tetningsmidler, betongtilsetningsstoffer, papir- og tekstilbelegg og lateksmaling27.Den har en rekke fordeler i forhold til andre polymeriseringsmetoder, som høy reaksjonshastighet og monomerkonverteringseffektivitet, samt enkel produktkontroll27,28.Valget av monomerer avhenger av de ønskede egenskapene til den resulterende polymerfilmen, og for blandede monomersystemer (dvs. kopolymerisasjoner), kan egenskapene til polymeren endres ved å velge forskjellige forhold mellom monomerer som danner det resulterende polymermaterialet.Butylakrylat og styren er blant de vanligste akryllateksmonomerene og brukes her.I tillegg brukes ofte koalesceringsmidler (f.eks. Texanol) for å fremme jevn filmdannelse der de kan endre egenskapene til polymerlatexen for å produsere et sterkt og "kontinuerlig" (koalescerende) belegg.I vår første proof-of-concept-studie ble en 3D-biokompositt med høyt overflateareal og høy porøsitet fremstilt ved bruk av en kommersiell lateksmaling påført en loofah-svamp.Etter lange og kontinuerlige manipulasjoner (åtte uker), viste biokompositten begrenset evne til å holde på cyanobakterier på loofah-stillaset fordi cellevekst svekket den strukturelle integriteten til lateksen.I den nåværende studien hadde vi som mål å utvikle en serie akryllatekspolymerer med kjent kjemi for kontinuerlig bruk i karbonfangstapplikasjoner uten å ofre polymernedbrytning.Ved å gjøre dette har vi demonstrert evnen til å lage lavlignende polymermatriseelementer som gir forbedret biologisk ytelse og betydelig økt mekanisk elastisitet sammenlignet med påviste biokompositter.Ytterligere optimalisering vil akselerere opptaket av biokompositter for karbonfangst, spesielt når de kombineres med cyanobakterier som er metabolsk modifisert for å øke CO2-bindingen.
Ni latekser med tre polymerformuleringer (H = "hard", N = "normal", S = "myk") og tre typer texanol (0, 4, 12 % v/v) ble testet for toksisitet og belastningskorrelasjon.Lim.fra to cyanobakterier.Latekstypen påvirket S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Hare test, lateks: DF=2, H=23.157, P=<0.001) og CCAP 1479/1A (toveis ANOVA, lateks: DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (fig. la).Konsentrasjonen av texanol påvirket ikke veksten av S. elongatus PCC 7942 signifikant, bare N-latex var ikke-toksisk (fig. 1a), og 0 N og 4 N opprettholdt vekst på henholdsvis 26 % og 35 % (Mann- Whitney U, 0 N vs. 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N versus kontroll: W = 25,0, P = 0,061; 4 N versus kontroll: W = 25,0, P = 0,061) og 12 N opprettholdt vekst sammenlignbar til biologisk kontroll (Mann-Whitney University, 12 N vs. kontroll: W = 17,0, P = 0,885).For S. elongatus CCAP 1479/1A var både lateksblanding og texanolkonsentrasjon viktige faktorer, og det ble observert en signifikant interaksjon mellom de to (toveis 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 og alle "myke" latekser fremmet vekst (fig. 1a).Det er en tendens til å forbedre veksten med synkende styrensammensetning.
Toksisitets- og adhesjonstesting av cyanobakterier (Synechococcus elongatus PCC 7942 og CCAP 1479/1A) til lateksformuleringer, forhold til glassovergangstemperatur (Tg) og beslutningsmatrise basert på toksisitets- og adhesjonsdata.(a) Toksisitetstesting ble utført ved bruk av separate plott av prosentvis vekst av cyanobakterier normalisert for å kontrollere suspensjonskulturer.Behandlinger merket med * er vesentlig forskjellig fra kontroller.(b) Cyanobakterievekstdata versus Tg-latex (gjennomsnitt ± SD; n = 3).(c) Det kumulative antallet cyanobakterier frigjort fra biokompositt-adhesjonstesten.(d) Adhesjonsdata versus Tg for lateksen (gjennomsnitt ± StDev; n = 3).e Beslutningsmatrise basert på toksisitets- og adhesjonsdata.Forholdet mellom styren og butylakrylat er 1:3 for "hard" (H) lateks, 1:1 for "normal" (N) og 3:1 for "myk" (S).De forrige tallene i latekskoden tilsvarer innholdet av Texanol.
I de fleste tilfeller ble cellelevedyktigheten redusert med økende texanolkonsentrasjon, men det var ingen signifikant korrelasjon for noen av stammene (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).På fig.1b viser forholdet mellom cellevekst og glassovergangstemperatur (Tg).Det er en sterk negativ korrelasjon mellom texanolkonsentrasjon og Tg-verdier (H-latex: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-latex: DF=7, r=-0,964, P=<0,001 S-latex: DF=7, r=-0,946, P=<0,001).Dataene viste at den optimale Tg for vekst av S. elongatus PCC 7942 var rundt 17 °C (Figur 1b), mens S. elongatus CCAP 1479/1A favoriserte Tg under 0 °C (Figur 1b).Kun S. elongatus CCAP 1479/1A hadde en sterk negativ korrelasjon mellom Tg og toksisitetsdata (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Alle latekser hadde god adhesjonsaffinitet, og ingen av dem frigjorde mer enn 1 % av cellene etter 72 timer (fig. 1c).Det var ingen signifikant forskjell mellom lateksene til de to stammene av S. elongatus (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara test, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- Stråletest).– Haretest, latex*texanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).Når konsentrasjonen av Texanol øker, frigjøres flere celler (Figur 1c).sammenlignet med S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Figur Id).Videre var det ingen statistisk sammenheng mellom Tg og celleadhesjon av de to stammene (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
For begge stammer var "harde" latekspolymerer ineffektive.Derimot presterte 4N og 12N best mot S. elongatus PCC 7942, mens 4S og 12S presterte best mot CCAP 1479/1A (fig. 1e), selv om det helt klart er rom for ytterligere optimalisering av polymermatrisen.Disse polymerene har blitt brukt i semi-batch netto CO2-opptakstester.
Fotofysiologien ble overvåket i 7 dager ved bruk av celler suspendert i en vandig latekssammensetning.Generelt synker både den tilsynelatende fotosyntesehastigheten (PS) og den maksimale PSII-kvanteutbyttet (Fv/Fm) med tiden, men denne nedgangen er ujevn og noen PS-datasett viser en bifasisk respons, noe som antyder en delvis respons, selv om sanntidsgjenoppretting kortere PS-aktivitet (fig. 2a og 3b).Den bifasiske Fv/Fm-responsen var mindre uttalt (figur 2b og 3b).
(a) Tilsynelatende fotosyntesehastighet (PS) og (b) maksimalt PSII kvanteutbytte (Fv/Fm) av Synechococcus elongatus PCC 7942 som respons på lateksformuleringer sammenlignet med kontrollsuspensjonskulturer.Forholdet mellom styren og butylakrylat er 1:3 for "hard" (H) lateks, 1:1 for "normal" (N) og 3:1 for "myk" (S).De forrige tallene i latekskoden tilsvarer innholdet av Texanol.(gjennomsnitt ± standardavvik; n = 3).
(a) Tilsynelatende fotosyntesehastighet (PS) og (b) maksimalt PSII kvanteutbytte (Fv/Fm) av Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A som respons på lateksformuleringer sammenlignet med kontrollsuspensjonskulturer.Forholdet mellom styren og butylakrylat er 1:3 for "hard" (H) lateks, 1:1 for "normal" (N) og 3:1 for "myk" (S).De forrige tallene i latekskoden tilsvarer innholdet av Texanol.(gjennomsnitt ± standardavvik; n = 3).
For S. elongatus PCC 7942 påvirket ikke latekssammensetning og texanolkonsentrasjon PS over tid (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), selv om sammensetningen var en viktig faktor (GLM)., lateks*tid, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (fig. 2a).Det var ingen signifikant effekt av Texanolkonsentrasjon over tid (GLM, Texanol*tid, DF=14, F=1,63, P=0,078).Det var en signifikant interaksjon som påvirket Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Interaksjonen mellom lateksformulering og Texanol-konsentrasjon hadde en signifikant effekt på Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Hver parameter påvirker også Fv/Fm over tid (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 og Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=< 0,001).Latex 12H opprettholdt de laveste gjennomsnittlige PS- og Fv/Fm-verdiene (fig. 2b), noe som indikerer at denne polymeren er mer giftig.
PS av S. elongatus CCAP 1479/1A var signifikant forskjellig (GLM, lateks * Texanol * tid, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), med latekssammensetning i stedet for Texanol-konsentrasjon (GLM, Latex*tid, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*tid, DF=14, F=1,26, P=0,239)."Myke" polymerer 0S og 4S opprettholdt litt høyere nivåer av PS-ytelse enn kontrollsuspensjoner (Mann-Whitney U, 0S versus kontroller, W = 686,0, P = 0,044, 4S versus kontroller, W = 713, P = 0,01) og opprettholdt en forbedret Fv./Fm (Fig. 3a) viser mer effektiv transport til Fotosystem II.For Fv/Fm-verdier av CCAP 1479/1A-celler var det en signifikant lateksforskjell over tid (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Figur 3b).).
På fig.4 viser gjennomsnittlig PS og Fv/Fm over en 7 dagers periode som en funksjon av cellevekst for hver stamme.S. elongatus PCC 7942 hadde ikke et tydelig mønster (fig. 4a og b), men CCAP 1479/1A viste et parabolsk forhold mellom PS (fig. 4c) og Fv/Fm (fig. 4d) verdier som forholdet mellom styren og butylakrylat vokser med endring.
Forholdet mellom vekst og fotofysiologi av Synechococcus longum på latekspreparater.(a) Toksisitetsdata plottet mot tilsynelatende fotosyntesehastighet (PS), (b) maksimalt PSII kvanteutbytte (Fv/Fm) av PCC 7942. c Toksisitetsdata plottet mot PS og d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Forholdet mellom styren og butylakrylat er 1:3 for "hard" (H) lateks, 1:1 for "normal" (N) og 3:1 for "myk" (S).De forrige tallene i latekskoden tilsvarer innholdet av Texanol.(gjennomsnitt ± standardavvik; n = 3).
Biokompositten PCC 7942 hadde en begrenset effekt på celletensjon med betydelig celleutvasking i løpet av de første fire ukene (Figur 5).Etter den innledende fasen av CO2-opptak begynte celler fiksert med 12 N lateks å frigjøre CO2, og dette mønsteret vedvarte mellom dag 4 og 14 (fig. 5b).Disse dataene stemmer overens med observasjoner av pigmentmisfarging.Netto CO2-opptak startet igjen fra dag 18. Til tross for cellefrigjøring (fig. 5a), akkumulerte PCC 7942 12 N biokompositten fortsatt mer CO2 enn kontrollsuspensjonen over 28 dager, om enn litt (Mann-Whitney U-test, W = 2275,5; P = 0,066).Absorpsjonshastigheten av CO2 av lateks 12 N og 4 N er 0,51 ± 0,34 og 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 av biomasse d-1.Det var en statistisk signifikant forskjell mellom behandlings- og tidsnivåer (Chairer-Ray-Hare test, behandling: DF=2, H=70,62, P=<0,001 tid: DF=13, H=23,63, P=0,034), men det var det ikke.det var en signifikant sammenheng mellom behandling og tid (Chairer-Ray-Har test, tid*behandling: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Halvbatch CO2-opptakstester på Synechococcus elongatus PCC 7942 biokompositter ved bruk av 4N og 12N lateks.(a) Bilder viser cellefrigjøring og pigmentmisfarging, samt SEM-bilder av biokompositten før og etter testing.Hvite stiplede linjer indikerer stedene for celleavsetning på biokompositten.(b) Kumulativt netto CO2-opptak over en fire ukers periode."Normal" (N) lateks har et forhold mellom styren og butylakrylat på 1:1.De forrige tallene i latekskoden tilsvarer innholdet av Texanol.(gjennomsnitt ± standardavvik; n = 3).
Celleretensjon ble betydelig forbedret for stamme CCAP 1479/1A med 4S og 12S, selv om pigmentet sakte endret farge over tid (fig. 6a).Biokompositt CCAP 1479/1A absorberer CO2 i hele 84 dager (12 uker) uten ekstra kosttilskudd.SEM-analyse (fig. 6a) bekreftet den visuelle observasjonen av løsrivelse av små celler.Til å begynne med ble cellene innkapslet i et lateksbelegg som beholdt sin integritet til tross for cellevekst.CO2-opptaksraten var signifikant høyere enn kontrollgruppen (Scheirer-Ray-Har test, behandling: DF=2; H=240,59; P=<0,001, tid: DF=42; H=112; P=<0,001 ) ( Fig. 6b).12S-biokompositten oppnådde det høyeste CO2-opptaket (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 biomasse per dag), mens 4S-latexen var 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 biomasse per dag, men de skilte seg ikke signifikant (Mann-Whitney U test, W = 1507,50; P = 0,07) og ingen signifikant interaksjon mellom behandling og tid (Shirer-Rey-Hara test, tid * behandling: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Halvparti CO2-opptakstesting med Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A biokompositter med 4N og 12N lateks.(a) Bilder viser cellefrigjøring og pigmentmisfarging, samt SEM-bilder av biokompositten før og etter testing.Hvite stiplede linjer indikerer stedene for celleavsetning på biokompositten.(b) Kumulativt netto CO2-opptak over tolvukersperioden."Myk" (S) lateks har et forhold mellom styren og butylakrylat på 1:1.De forrige tallene i latekskoden tilsvarer innholdet av Texanol.(gjennomsnitt ± standardavvik; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Har test, tid*behandling: DF=4, H=3.243, P=0.518) eller biokompositt S. elongatus CCAP 1479/1A (to-ANOVA, tid*behandling: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (fig. S4).Biokompositt PCC 7942 hadde det høyeste karbohydratinnholdet ved uke 2 (4 N = 59,4 ± 22,5 vekt%, 12 N = 67,9 ± 3,3 vekt%), mens kontrollsuspensjonen hadde høyest karbohydratinnhold ved uke 4 når (kontroll = 59,6 ± 2,84 % w/w).Det totale karbohydratinnholdet i CCAP 1479/1A-biokompositten var sammenlignbar med kontrollsuspensjonen bortsett fra ved starten av forsøket, med noen endringer i 12S-latexen ved uke 4. De høyeste verdiene for biokompositten var 51,9 ± 9,6 vekt-% for 4S og 77,1 ± 17,0 vekt% for 12S.
Vi satte oss for å demonstrere designmuligheter for å forbedre den strukturelle integriteten til tynnfilms latekspolymerbelegg som en viktig komponent i lav-mimic biokompositt-konseptet uten å ofre biokompatibilitet eller ytelse.Faktisk, hvis de strukturelle utfordringene knyttet til cellevekst overvinnes, forventer vi betydelige ytelsesforbedringer i forhold til våre eksperimentelle biokompositter, som allerede er sammenlignbare med andre cyanobakterier og mikroalger karbonfangstsystemer.
Belegg må være giftfrie, holdbare, støtte langsiktig celleadhesjon og må være porøse for å fremme effektiv CO2-masseoverføring og O2-avgassing.Akrylpolymerer av latekstypen er enkle å tilberede og er mye brukt i maling-, tekstil- og limindustrien30.Vi kombinerte cyanobakterier med en vannbasert akryllatekspolymeremulsjon polymerisert med et spesifikt forhold mellom styren/butylakrylatpartikler og forskjellige konsentrasjoner av Texanol.Styren og butylakrylat ble valgt for å kunne kontrollere de fysiske egenskapene, spesielt elastisiteten og koalescenseffektiviteten til belegget (kritisk for et sterkt og svært klebende belegg), som tillater syntese av "harde" og "myke" partikkelaggregater.Toksisitetsdata tyder på at "hard" lateks med høyt styreninnhold ikke bidrar til overlevelsen av cyanobakterier.I motsetning til butylakrylat regnes styren som giftig for alger32,33.Cyanobakteriestammer reagerte ganske forskjellig på lateks, og den optimale glassovergangstemperaturen (Tg) ble bestemt for S. elongatus PCC 7942, mens S. elongatus CCAP 1479/1A viste en negativ lineær sammenheng med Tg.
Tørketemperaturen påvirker evnen til å danne en kontinuerlig jevn lateksfilm.Hvis tørketemperaturen er under Minimum Film Forming Temperature (MFFT), vil ikke polymerlatexpartiklene smelte sammen, noe som resulterer i adhesjon kun ved partikkelgrensesnittet.De resulterende filmene har dårlig vedheft og mekanisk styrke og kan til og med være i pulverform29.MFFT er nært beslektet med Tg, som kan kontrolleres ved monomersammensetning og tilsetning av koalescentmidler som texanol.Tg bestemmer mange av de fysiske egenskapene til det resulterende belegget, som kan være i en gummiaktig eller glassaktig tilstand34.I følge Flory-Fox-ligningen35 avhenger Tg av typen monomer og den relative prosentvise sammensetningen.Tilsetning av koalescerende kan senke MFFT ved intermitterende undertrykkelse av Tg av latexpartiklene, noe som tillater filmdannelse ved lavere temperaturer, men fortsatt danner et hardt og sterkt belegg fordi koalescensen sakte fordamper over tid eller har blitt ekstrahert 36 .
Å øke konsentrasjonen av Texanol fremmer filmdannelse ved å myke opp polymerpartiklene (redusere Tg) på grunn av absorpsjon av partiklene under tørking, og dermed øke styrken til den kohesive filmen og celleadhesjonen.Fordi biokompositten tørkes ved omgivelsestemperatur (~18–20 °C), er Tg (30 til 55 °C) til den "harde" lateksen høyere enn tørketemperaturen, noe som betyr at partikkelsammensmeltingen kanskje ikke er optimal, noe som resulterer i B-filmer som forblir glassaktige, dårlige mekaniske og klebende egenskaper, begrenset elastisitet og diffusivitet30 fører til slutt til større celletap.Filmdannelse fra "normale" og "myke" polymerer skjer ved eller under Tg av polymerfilmen, og filmdannelse forbedres ved forbedret koalescens, noe som resulterer i kontinuerlige polymerfilmer med forbedrede mekaniske, kohesive og adhesive egenskaper.Den resulterende filmen vil forbli gummiaktig under CO2-fangsteksperimenter på grunn av at dens Tg er nær (“normal” blanding: 12 til 20 ºC) eller mye lavere (“myk” blanding: -21 til -13 °C) til omgivelsestemperatur 30 ."Hard" lateks (3,4 til 2,9 kgf mm–1) er tre ganger hardere enn "normal" lateks (1,0 til 0,9 kgf mm–1).Hardheten til "myke" latekser kan ikke måles ved mikrohardhet på grunn av deres overdreven gummi og klebrighet ved romtemperatur.Overflateladning kan også påvirke adhesjonsaffiniteten, men mer data er nødvendig for å gi meningsfull informasjon.Imidlertid beholdt alle latekser effektivt cellene, og frigjorde mindre enn 1 %.
Produktiviteten til fotosyntesen avtar over tid.Eksponering for polystyren fører til membranforstyrrelser og oksidativt stress38,39,40,41.Fv/Fm-verdiene til S. elongatus CCAP 1479/1A utsatt for 0S og 4S var nesten dobbelt så høye sammenlignet med suspensjonskontrollen, som stemmer godt overens med CO2-opptakshastigheten til 4S-biokompositten, samt med lavere gjennomsnittlige PS-verdier.verdier.Høyere Fv/Fm-verdier indikerer at elektrontransport til PSII kan levere flere fotoner42, noe som kan resultere i høyere CO2-fikseringshastigheter.Imidlertid bør det bemerkes at fotofysiologiske data ble oppnådd fra celler suspendert i vandige lateksløsninger og kan ikke nødvendigvis være direkte sammenlignbare med modne biokompositter.
Hvis lateks skaper en barriere for lys- og/eller gassutveksling som resulterer i lys- og CO2-begrensning, kan det forårsake cellulært stress og redusere ytelsen, og hvis det påvirker frigjøring av O2, fotorespirasjon39.Lystransmisjonen til de herdede beleggene ble evaluert: "hard" lateks viste en liten reduksjon i lystransmisjon mellom 440 og 480 nm (forbedret delvis ved å øke konsentrasjonen av Texanol på grunn av forbedret filmkoalescens), mens "myk" og "regelmessig ” lateks viste en liten reduksjon i lystransmisjon.viser ikke noe merkbart tap av tap.Analysene, så vel som alle inkubasjoner, ble utført ved lav lysintensitet (30,5 µmol m-2 s-1), så all fotosyntetisk aktiv stråling på grunn av polymermatrisen vil bli kompensert og kan til og med være nyttig for å forhindre fotoinhibering.ved skadelige lysintensiteter.
Biokompositt CCAP 1479/1A fungerte i løpet av de 84 dagene med testing, uten omsetning av næringsstoffer eller betydelig tap av biomasse, som er et hovedmål med studien.Celledepigmentering kan være assosiert med en prosess med klorose som respons på nitrogensulting for å oppnå langsiktig overlevelse (hviletilstand), noe som kan hjelpe cellene til å gjenoppta veksten etter at tilstrekkelig nitrogenakkumulering er oppnådd.SEM-bildene bekreftet at cellene forble inne i belegget til tross for celledeling, og demonstrerte elastisiteten til den "myke" lateksen og viste dermed en klar fordel i forhold til den eksperimentelle versjonen.“Myk” lateks inneholder ca. 70 % butylakrylat (i vekt), som er mye høyere enn den oppgitte konsentrasjonen for et fleksibelt belegg etter tørking44.
Nettoopptaket av CO2 var signifikant høyere enn kontrollsuspensjonen (14–20 og 3–8 ganger høyere for henholdsvis S. elongatus CCAP 1479/1A og PCC 7942).Tidligere brukte vi en CO2-masseoverføringsmodell for å vise at hoveddriveren for høyt CO2-opptak er en skarp CO2-konsentrasjonsgradient på overflaten av biokompositten31 og at biokomposittytelsen kan begrenses av motstand mot masseoverføring.Dette problemet kan overvinnes ved å inkorporere ikke-toksiske, ikke-filmdannende ingredienser i lateksen for å øke porøsiteten og permeabiliteten til belegget26, men celleretensjon kan bli kompromittert ettersom denne strategien uunngåelig vil resultere i en svakere film20.Den kjemiske sammensetningen kan endres under polymerisering for å øke porøsiteten, som er det beste alternativet, spesielt med tanke på industriell produksjon og skalerbarhet45.
Ytelsen til den nye biokompositten sammenlignet med nyere studier med biokompositter fra mikroalger og cyanobakterier viste fordeler ved å justere cellebelastningshastigheten (tabell 1)21,46 og med lengre analysetider (84 dager versus 15 timer46 og 3 uker21).
Det volumetriske innholdet av karbohydrater i celler kan sammenlignes med andre studier47,48,49,50 som bruker cyanobakterier og brukes som et potensielt kriterium for karbonfangst og -utnyttelse/gjenvinningsapplikasjoner, som for BECCS-fermenteringsprosesser49,51 eller for produksjon av biologisk nedbrytbare bioplast52.Som en del av begrunnelsen for denne studien antar vi at skogplanting, selv tatt i betraktning i BECCS-konseptet for negative utslipp, ikke er et universalmiddel for klimaendringer og forbruker en alarmerende andel av verdens dyrkbare jord6.Som et tankeeksperiment ble det anslått at mellom 640 og 950 GtCO2 måtte fjernes fra atmosfæren innen 2100 for å begrense den globale temperaturstigningen til 1,5°C53 (omtrent 8 til 12 GtCO2 per år).Å oppnå dette med en biokompositt med bedre ytelse (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 biomasse per år-1) vil kreve volumutvidelse fra 5,5 × 1010 til 8,2 × 1010 m3 (med sammenlignbar fotosyntetisk effektivitet), inneholdende fra 196 til 2,92 milliarder liter polymer.Forutsatt at 1 m3 biokompositter okkuperer 1 m2 landareal, vil arealet som kreves for å absorbere målt årlig total CO2 være mellom 5,5 og 8,17 millioner hektar, noe som tilsvarer 0,18-0,27 % av egnet for levetiden til landene i landet. tropene, og redusere landarealet.behov for BECCS med 98-99 %.Det skal bemerkes at det teoretiske fangstforholdet er basert på CO2-absorpsjonen registrert i svakt lys.Så snart biokompositten utsettes for mer intens naturlig lys, øker hastigheten på CO2-opptaket, noe som reduserer arealbehovet ytterligere og vipper skalaen videre mot biokomposittkonseptet.Implementeringen må imidlertid være ved ekvator for konstant bakgrunnslysintensitet og varighet.
Den globale effekten av CO2-gjødsling, dvs. økningen i vegetasjonsproduktiviteten forårsaket av økt CO2-tilgjengelighet, har avtatt på de fleste landområder, sannsynligvis på grunn av endringer i nøkkelnæringsstoffer i jorda (N og P) og vannressurser7.Dette betyr at terrestrisk fotosyntese kanskje ikke fører til økt CO2-opptak, til tross for forhøyede CO2-konsentrasjoner i luften.I denne sammenhengen er det enda mindre sannsynlig at bakkebaserte strategier for å redusere klimaendringer som BECCS vil lykkes.Hvis dette globale fenomenet blir bekreftet, kan vår lav-inspirerte biokompositt være et viktig aktivum, som forvandler encellede akvatiske fotosyntetiske mikrober til "grunnmidler."De fleste landplanter fikserer CO2 gjennom C3-fotosyntese, mens C4-planter er mer gunstige for varmere, tørrere habitater og er mer effektive ved høyere CO254-partialtrykk.Cyanobakterier tilbyr et alternativ som kan oppveie de alarmerende spådommene om redusert karbondioksideksponering i C3-anlegg.Cyanobakterier har overvunnet fotorespiratoriske begrensninger ved å utvikle en effektiv karbonanrikningsmekanisme der høyere partialtrykk av CO2 presenteres og opprettholdes av ribulose-1,5-bisfosfatkarboksylase/oksygenase (RuBisCo) i karboksysomer rundt.Dersom produksjonen av cyanobakterielle biokompositter kan økes, kan dette bli et viktig våpen for menneskeheten i kampen mot klimaendringene.
Biokompositter (lav etterligner) gir klare fordeler i forhold til konvensjonelle mikroalger og cyanobakterier suspensjonskulturer, og gir høyere CO2-opptak, minimerer forurensningsrisiko og lover konkurransedyktig CO2-unngåelse.Kostnader reduserer bruken av jord, vann og næringsstoffer betydelig56.Denne studien demonstrerer muligheten for å utvikle og produsere en høyytelses biokompatibel lateks som, kombinert med en loofah-svamp som et kandidatsubstrat, kan gi effektivt og effektivt CO2-opptak over måneder med operasjon samtidig som celletap holdes på et minimum.Biokompositter kan teoretisk fange omtrent 570 t CO2 t-1 biomasse per år og kan vise seg å være viktigere enn BECCS skogplantingsstrategier i vår respons på klimaendringer.Med ytterligere optimalisering av polymersammensetningen, testing ved høyere lysintensiteter, og kombinert med forseggjort metabolsk konstruksjon, kan naturens originale biogeoingeniører igjen komme til unnsetning.
Akryllatekspolymerer ble fremstilt ved å bruke en blanding av styrenmonomerer, butylakrylat og akrylsyre, og pH ble justert til 7 med 0,1 M natriumhydroksid (tabell 2).Styren og butylakrylat utgjør hoveddelen av polymerkjedene, mens akrylsyre bidrar til å holde latekspartiklene i suspensjon57.De strukturelle egenskapene til lateks bestemmes av glassovergangstemperaturen (Tg), som styres ved å endre forholdet mellom styren og butylakrylat, som gir henholdsvis "harde" og "myke" egenskaper58.En typisk akryllatekspolymer er 50:50 styren:butylakrylat 30, så i denne studien ble lateks med dette forholdet referert til som "normal" lateks, og lateks med høyere styreninnhold ble referert til som en lateks med lavere styreninnhold .kalt "myk" som "hard".
En primær emulsjon ble fremstilt ved å bruke destillert vann (174 g), natriumbikarbonat (0,5 g) og Rhodapex Ab/20 overflateaktivt middel (30,92 g) (Solvay) for å stabilisere de 30 monomerdråpene.Ved å bruke en glasssprøyte (Science Glass Engineering) med en sprøytepumpe ble en sekundær aliquot inneholdende styren, butylakrylat og akrylsyre oppført i tabell 2 tilsatt dråpevis med en hastighet på 100 ml h-1 til den primære emulsjonen i løpet av 4 timer (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Forbered en løsning av polymerisasjonsinitiator 59 ved bruk av dHO og ammoniumpersulfat (100 ml, 3 % w/w).
Rør løsningen som inneholder dHO (206 g), natriumbikarbonat (1 g) og Rhodapex Ab/20 (4,42 g) ved å bruke en overhead-rører (Heidolph Hei-MOMENT-verdi 100) med en propell av rustfritt stål og varm opp til 82°C i en vannmantlet kar i et VWR Scientific 1137P oppvarmet vannbad.En redusert vektoppløsning av monomer (28,21 g) og initiator (20,60 g) ble tilsatt dråpevis til den kappede beholder og omrørt i 20 minutter.Bland kraftig gjenværende monomer (150 ml h-1) og initiator (27 ml h-1)-løsninger for å holde partiklene i suspensjon til de tilsettes vannkappen i løpet av 5 timer ved å bruke henholdsvis 10 ml sprøyter og 100 ml i en beholder .kompletteres med en sprøytepumpe.Rørehastigheten ble økt på grunn av økningen i slurryvolum for å sikre slurryretensjon.Etter tilsetning av initiatoren og emulsjonen ble reaksjonstemperaturen hevet til 85°C, omrørt godt ved 450 rpm i 30 minutter, deretter avkjølt til 65°C.Etter avkjøling ble to fortrengningsløsninger tilsatt til lateksen: tert-butylhydroperoksyd (t-BHP) (70% i vann) (5 g, 14 vekt%) og isoaskorbinsyre (5 g, 10 vekt%)..Tilsett t-BHP dråpe for dråpe og la stå i 20 minutter.Erytorbinsyre ble deretter tilsatt med en hastighet på 4 ml/time fra en 10 ml sprøyte ved bruk av en sprøytepumpe.Lateksløsningen ble deretter avkjølt til romtemperatur og justert til pH 7 med 0,1 M natriumhydroksid.
2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol monoisobutyrate (Texanol) – lavtoksisitet biologisk nedbrytbar koalescent for lateksmaling 37,60 – ble tilsatt med en sprøyte og pumpe i tre volumer (0, 4, 12 % v/v) som koalesceringsmiddel for lateksblanding for å lette filmdannelse under tørking37.Lateksfaststoffprosenten ble bestemt ved å plassere 100 ul av hver polymer i forhåndsveide aluminiumsfoliehetter og tørke i en ovn ved 100°C i 24 timer.
For lystransmisjon ble hver lateksblanding påført et mikroskopobjektglass ved bruk av en dråpeterning av rustfritt stål kalibrert for å produsere 100 µm filmer og tørket ved 20°C i 48 timer.Lystransmisjon (fokusert på fotosyntetisk aktiv stråling, λ 400–700 nm) ble målt på et ILT950 SpectriLight spektroradiometer med sensor i en avstand på 35 cm fra en 30 W lysrør (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – der lyset kilden var cyanobakterier og organismer Komposittmaterialer er bevart.SpectrILight III programvareversjon 3.5 ble brukt til å registrere belysningsstyrke og overføring i området λ 400–700 nm61.Alle prøver ble plassert på toppen av sensoren, og ubelagte glassplater ble brukt som kontroller.
Lateksprøver ble tilsatt en silikonbakeform og fikk tørke i 24 timer før de ble testet for hardhet.Plasser den tørkede lateksprøven på en stålhette under et x10 mikroskop.Etter fokusering ble prøvene evaluert på en Buehler Micromet II mikrohardhetstester.Prøven ble utsatt for en kraft på 100 til 200 gram og lastetiden ble satt til 7 sekunder for å skape en diamantbulk i prøven.Utskriften ble analysert ved bruk av et Bruker Alicona × 10 mikroskopobjektiv med ekstra programvare for formmåling.Vickers hardhetsformel (ligning 1) ble brukt til å beregne hardheten til hver lateks, der HV er Vickers-tallet, F er den påførte kraften og d er gjennomsnittet av innrykksdiagonalene beregnet fra høyden og bredden til lateksen.innrykk verdi."Myk" lateks kan ikke måles på grunn av adhesjon og strekk under innrykkstesten.
For å bestemme glassovergangstemperaturen (Tg) til lateksblandingen ble polymerprøver plassert i silikagelskåler, tørket i 24 timer, veid til 0,005 g og plassert i prøveskåler.Skålen ble tildekket og plassert i et differensielt skanningskolorimeter (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, Pyris dataanalyseprogramvare)62.Varmestrømmetoden brukes til å plassere referansekopper og prøvekopper i samme ovn med en innebygd temperatursonde for å måle temperaturen.Totalt to ramper ble brukt for å lage en konsistent kurve.Prøvemetoden ble gjentatte ganger hevet fra -20°C til 180°C med en hastighet på 20°C per minutt.Hvert start- og sluttpunkt lagres i 1 minutt for å ta hensyn til temperaturforsinkelse.
For å evaluere biokomposittens evne til å absorbere CO2, ble prøver forberedt og testet på samme måte som i vår forrige studie31.Den tørkede og autoklaverte vaskekluten ble kuttet i strimler på ca. 1×1×5 cm og veid.Påfør 600 µl av de to mest effektive biobeleggene for hver cyanobakteriestamme på den ene enden av hver loofah-strimmel, som dekker omtrent 1 × 1 × 3 cm, og tørk i mørket ved 20 °C i 24 timer.På grunn av den makroporøse strukturen til loofahen ble noe av formelen bortkastet, så cellebelastningseffektiviteten var ikke 100 %.For å overvinne dette problemet ble vekten av det tørre preparatet på loofahen bestemt og normalisert til referansepreparatet.Abiotiske kontroller bestående av loofah, lateks og sterilt næringsmedium ble tilberedt på lignende måte.
For å utføre en halv-batch CO2-opptakstest, plasser biokompositten (n = 3) i et 50 ml glassrør slik at den ene enden av biokompositten (uten biobelegget) er i kontakt med 5 ml vekstmedium, slik at næringsstoffet kan transporteres ved kapillærvirkning..Flasken er forseglet med en butylgummikork med en diameter på 20 mm og krympet med en sølvfarget aluminiumshette.Når den er forseglet, injiser 45 ml 5 % CO2/luft med en steril kanyle festet til en gasstett sprøyte.Celletettheten til kontrollsuspensjonen (n = 3) var ekvivalent med cellebelastningen til biokompositten i næringsmediet.Testene ble utført ved 18 ± 2 °C med en fotoperiode på 16:8 og en fotoperiode på 30,5 µmol m-2 s-1.Hoderom ble fjernet annenhver dag med en gasstett sprøyte og analysert med en CO2-måler med infrarød absorpsjon GEOTech G100 for å bestemme prosentandelen av CO2 som ble absorbert.Tilsett et like stort volum CO2-gassblanding.
% CO2 Fix beregnes som følger: % CO2 Fix = 5 % (v/v) – skriv %CO2 (ligning 2) hvor P = trykk, V = volum, T = temperatur og R = ideell gasskonstant.
Rapporterte CO2-opptakshastigheter for kontrollsuspensjoner av cyanobakterier og biokompositter ble normalisert til ikke-biologiske kontroller.Den funksjonelle enheten til g biomasse er mengden tørr biomasse immobilisert på vaskekluten.Det bestemmes ved å veie loofah-prøver før og etter cellefiksering.Regnskap for cellelastmasse (biomasseekvivalent) ved å veie preparatene individuelt før og etter tørking og ved å beregne tettheten til cellepreparatet (ligning 3).Cellepreparater antas å være homogene under fiksering.
Minitab 18 og Microsoft Excel med RealStatistics-tillegget ble brukt til statistisk analyse.Normalitet ble testet ved hjelp av Anderson-Darling-testen, og varianslikhet ble testet ved bruk av Levene-testen.Data som tilfredsstiller disse forutsetningene ble analysert ved bruk av toveis variansanalyse (ANOVA) med Tukeys test som post hoc-analyse.Toveisdata som ikke oppfylte forutsetningene om normalitet og lik varians ble analysert ved hjelp av Shirer-Ray-Hara-testen og deretter Mann-Whitney U-testen for å bestemme signifikans mellom behandlinger.Generaliserte lineære blandede (GLM) modeller ble brukt for ikke-normale data med tre faktorer, der dataene ble transformert ved hjelp av Johnson-transformasjonen63.Momentkorrelasjoner av Pearson-produkter ble utført for å evaluere forholdet mellom Texanol-konsentrasjon, glassovergangstemperatur og latextoksisitet og adhesjonsdata.
Innleggstid: Jan-05-2023