Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Zobrazí karusel tří snímků najednou.Pomocí tlačítek Předchozí a Další můžete procházet třemi snímky najednou nebo pomocí tlačítek posuvníku na konci procházet třemi snímky najednou.
Zachycování a ukládání uhlíku je zásadní pro dosažení cílů Pařížské dohody.Fotosyntéza je přírodní technologie pro zachycování uhlíku.Inspirovali jsme se lišejníky a vyvinuli jsme 3D fotosyntetický biokompozit sinic (tj. napodobující lišejník) pomocí akrylového latexového polymeru naneseného na houbu z lufy.Rychlost absorpce CO2 biokompozitem byla 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 biomasy d-1.Rychlost absorpce je založena na suché biomase na začátku experimentu a zahrnuje CO2 použitý k pěstování nové biomasy i CO2 obsažený v zásobních sloučeninách, jako jsou sacharidy.Tyto míry absorpce byly 14–20krát vyšší než opatření na kontrolu kejdy a mohly by být potenciálně zvětšeny tak, aby zachytily 570 t CO2 t-1 biomasy za rok-1, což odpovídá 5,5–8,17 × 106 hektarům využití půdy, čímž se odstraní 8–12 Gt CO2 CO2 za rok.Naproti tomu lesní bioenergie se zachycováním a ukládáním uhlíku je 0,4–1,2 × 109 ha.Biokompozit zůstal funkční po dobu 12 týdnů bez dalších živin nebo vody, poté byl experiment ukončen.V rámci mnohostranného technologického postoje lidstva k boji proti změně klimatu mají navržené a optimalizované biokompozity sinic potenciál pro udržitelné a škálovatelné nasazení za účelem zvýšení odstraňování CO2 a zároveň snížení ztrát vody, živin a využívání půdy.
Změna klimatu je skutečnou hrozbou pro globální biologickou rozmanitost, stabilitu ekosystémů a lidi.Ke zmírnění jeho nejhorších dopadů jsou zapotřebí koordinované a rozsáhlé dekarbonizační programy a samozřejmě je nutná určitá forma přímého odstraňování skleníkových plynů z atmosféry.Navzdory pozitivní dekarbonizaci výroby elektřiny2,3 v současné době neexistují žádná ekonomicky udržitelná technologická řešení pro snížení atmosférického oxidu uhličitého (CO2)4, ačkoli zachycování spalin postupuje5.Místo škálovatelných a praktických inženýrských řešení by se lidé měli se zachycováním uhlíku obrátit na přírodní inženýry – fotosyntetické organismy (fototrofní organismy).Fotosyntéza je přírodní technologie sekvestrace uhlíku, ale její schopnost zvrátit antropogenní obohacování uhlíku ve smysluplných časových měřítcích je sporná, enzymy jsou neúčinné a její schopnost nasadit se ve vhodných měřítcích je sporná.Potenciální cestou pro fototrofii je zalesňování, které kácí stromy pro bioenergii pomocí zachycování a ukládání uhlíku (BECCS) jako technologie s negativními emisemi, která může pomoci snížit čisté emise CO21.K dosažení teplotního cíle Pařížské dohody 1,5 °C pomocí BECCS jako hlavní metody by však bylo zapotřebí 0,4 až 1,2 × 109 ha, což odpovídá 25–75 % současné celosvětové orné půdy6.Kromě toho nejistota spojená s globálními účinky hnojení CO2 zpochybňuje potenciální celkovou efektivitu lesních plantáží7.Máme-li dosáhnout teplotních cílů stanovených Pařížskou dohodou, musí být z atmosféry odstraněno každý rok 100 sekund GtCO2 skleníkových plynů (GGR).Ministerstvo výzkumu a inovací Spojeného království nedávno oznámilo financování pěti projektů GGR8, včetně správy rašelinišť, zlepšeného zvětrávání hornin, výsadby stromů, biouhlu a víceletých plodin pro krmení procesu BECCS.Náklady na odstranění více než 130 Mt CO2 z atmosféry za rok jsou 10-100 USD/t CO2, 0,2-8,1 Mt CO2 za rok na obnovu rašelinišť, 52-480 USD/tCO2 a 12-27 Mt CO2 za rok za zvětrávání hornin. , 0,4-30 USD/rok.tCO2, 3,6 Mt CO2/rok, 1% nárůst lesní plochy, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/rok, biouhel, 140-270 US$/tCO2, 20-70 Mt CO2 za rok pro trvalé kultury využívající BECCS9.
Kombinace těchto přístupů by mohla potenciálně dosáhnout cíle 130 Mt CO2 za rok, ale náklady na zvětrávání hornin a BECCS jsou vysoké a biouhel, i když je relativně levný a nesouvisí s využíváním půdy, vyžaduje surovinu pro proces výroby biouhlu.nabízí tento vývoj a počet k nasazení dalších technologií GGR.
Místo hledání řešení na souši hledejte vodu, zejména jednobuněčné fototrofy, jako jsou mikrořasy a sinice10.Řasy (včetně sinic) zachycují přibližně 50 % světového oxidu uhličitého, ačkoli představují pouze 1 % světové biomasy11.Sinice jsou původní biogeoinženýři přírody, kteří kladou základy pro respirační metabolismus a evoluci mnohobuněčného života prostřednictvím kyslíkové fotosyntézy12.Myšlenka využití sinic k zachycení uhlíku není nová, ale inovativní metody fyzického umístění otevírají těmto starověkým organismům nové obzory.
Otevřené rybníky a fotobioreaktory jsou výchozím aktivem při použití mikrořas a sinic pro průmyslové účely.Tyto kultivační systémy používají suspenzní kulturu, ve které buňky volně plavou v růstovém médiu14;rybníky a fotobioreaktory však mají mnoho nevýhod, jako je špatný přenos hmoty CO2, intenzivní využívání půdy a vody, náchylnost k biologickému znečištění a vysoké stavební a provozní náklady15,16.Bioreaktory s biofilmem, které nepoužívají suspenzní kultury, jsou ekonomičtější z hlediska vody a prostoru, ale hrozí jim poškození vysycháním, náchylné k odlučování biofilmu (a tedy ztrátě aktivní biomasy) a jsou stejně náchylné k biologickému znečištění17.
Ke zvýšení rychlosti absorpce CO2 a řešení problémů, které omezují kalové a biofilmové reaktory, jsou zapotřebí nové přístupy.Jedním z takových přístupů jsou fotosyntetické biokompozity inspirované lišejníky.Lišejníky jsou komplexem hub a fotobiontů (mikrořas a/nebo sinic), které pokrývají přibližně 12 % rozlohy Země18.Houby poskytují fyzickou podporu, ochranu a ukotvení fotobiotického substrátu, který zase poskytuje houbám uhlík (jako přebytek fotosyntetických produktů).Navržený biokompozit je „lišejník mimetikum“, ve kterém je koncentrovaná populace sinic imobilizována ve formě tenkého biopovlaku na nosném substrátu.Kromě buněk obsahuje biopovlak polymerní matrici, která může nahradit houbu.Polymerní emulze nebo „latexy“ na vodní bázi jsou preferovány, protože jsou biokompatibilní, trvanlivé, levné, snadno se s nimi manipuluje a jsou komerčně dostupné19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Fixace buněk latexovými polymery je značně ovlivněna složením latexu a procesem tvorby filmu.Emulzní polymerace je heterogenní proces používaný k výrobě syntetického kaučuku, adhezivních nátěrů, tmelů, přísad do betonu, papírových a textilních nátěrů a latexových barev27.Má řadu výhod oproti jiným polymeračním metodám, jako je vysoká reakční rychlost a účinnost konverze monomeru, stejně jako snadná kontrola produktu27,28.Volba monomerů závisí na požadovaných vlastnostech výsledného polymerního filmu a u směsných monomerních systémů (tj. kopolymerizace) lze vlastnosti polymeru změnit výběrem různých poměrů monomerů, které tvoří výsledný polymerní materiál.Butylakrylát a styren patří mezi nejběžnější akrylové latexové monomery a používají se zde.Kromě toho se často používají koalescenční činidla (např. Texanol) k podpoře jednotné tvorby filmu, kde mohou změnit vlastnosti polymerního latexu a vytvořit silný a „kontinuální“ (splývající) povlak.V naší počáteční studii proof-of-concept byl vyroben 3D biokompozit s vysokou povrchovou plochou a vysokou porézností pomocí komerční latexové barvy nanesené na houbu z lufy.Po dlouhých a nepřetržitých manipulacích (osm týdnů) biokompozit vykazoval omezenou schopnost zadržet sinice na lešení lufy, protože buněčný růst oslabil strukturální integritu latexu.V této studii jsme se zaměřili na vývoj řady akrylových latexových polymerů známé chemie pro nepřetržité použití v aplikacích zachycování uhlíku bez obětování degradace polymeru.Tím jsme prokázali schopnost vytvářet lišejníkovité prvky polymerní matrice, které poskytují zlepšenou biologickou výkonnost a výrazně zvýšenou mechanickou elasticitu ve srovnání s osvědčenými biokompozity.Další optimalizace urychlí příjem biokompozitů pro zachycování uhlíku, zejména v kombinaci se sinicemi metabolicky modifikovanými pro zvýšení sekvestrace CO2.
Devět latexů se třemi polymerními formulacemi (H = „tvrdý“, N = „normální“, S = „měkký“) a třemi typy texanolu (0, 4, 12 % v/v) bylo testováno na toxicitu a korelaci mezi kmeny.Lepidlo.ze dvou sinic.Typ latexu významně ovlivnil S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Hare test, latex: DF=2, H=23,157, P=<0,001) a CCAP 1479/1A (dvoucestná ANOVA, latex: DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (obr. 1a).Koncentrace texanolu významně neovlivnila růst S. elongatus PCC 7942, pouze N-latex byl netoxický (obr. 1a) a 0 N a 4 N udržely růst 26 % a 35 % (Mann- Whitney U, 0 N vs. 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N proti kontrole: W = 25,0, P = 0,061; 4 N proti kontrole: W = 25,0, P = 0,061) a 12 N si udržely srovnatelný růst na biologickou kontrolu (Mann-Whitney University, 12 N vs. kontrola: W = 17,0, P = 0,885).Pro S. elongatus CCAP 1479/1A byly důležitými faktory jak latexová směs, tak koncentrace texanolu a byla pozorována významná interakce mezi těmito dvěma (dvoucestná ANOVA, latex: DF=2, F=103,93, P=<0,001, Texanol DF=2, F=5,96, P=0,01, Latex*Texanol: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N a všechny „měkké“ latexy podporovaly růst (obr. 1a).Existuje tendence ke zlepšení růstu s klesajícím složením styrenu.
Testování toxicity a adheze sinic (Synechococcus elongatus PCC 7942 a CCAP 1479/1A) k latexovým formulacím, vztah s teplotou skelného přechodu (Tg) a rozhodovací matrice na základě údajů o toxicitě a adhezi.(a) Testování toxicity bylo provedeno pomocí samostatných grafů procentuálního růstu sinic normalizovaných na kontrolní suspenzní kultury.Léčba označená * se výrazně liší od kontrol.(b) Data růstu sinic versus Tg latex (průměr ± SD; n = 3).c) Kumulativní počet sinic uvolněných z biokompozitní zkoušky adheze.(d) Data adheze versus Tg latexu (průměr ± StDev; n = 3).e Rozhodovací matice založená na údajích o toxicitě a adhezi.Poměr styrenu k butylakrylátu je 1:3 pro „tvrdý“ (H) latex, 1:1 pro „normální“ (N) a 3:1 pro „měkký“ (S).Předchozí čísla v latexovém kódu odpovídají obsahu Texanolu.
Ve většině případů se životaschopnost buněk snižovala se zvyšující se koncentrací texanolu, ale u žádného z kmenů nebyla signifikantní korelace (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).Na Obr.lb ukazuje vztah mezi růstem buněk a teplotou skelného přechodu (Tg).Mezi koncentrací texanolu a hodnotami Tg existuje silná negativní korelace (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).Data ukázala, že optimální Tg pro růst S. elongatus PCC 7942 byla kolem 17 °C (obrázek 1b), zatímco S. elongatus CCAP 1479/1A upřednostňovala Tg pod 0 °C (obrázek 1b).Pouze S. elongatus CCAP 1479/1A měl silnou negativní korelaci mezi Tg a údaji o toxicitě (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Všechny latexy měly dobrou adhezní afinitu a žádný z nich neuvolnil více než 1 % buněk po 72 hodinách (obr. 1c).Mezi latexy dvou kmenů S. elongatus nebyl žádný významný rozdíl (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara test, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- Ray test).– Zaječí test, latex*texanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).Jak se koncentrace texanolu zvyšuje, uvolňuje se více buněk (obrázek 1c).ve srovnání s S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (obrázek Id).Kromě toho nebyl žádný statistický vztah mezi Tg a buněčnou adhezí těchto dvou kmenů (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Pro oba kmeny byly „tvrdé“ latexové polymery neúčinné.Naproti tomu 4N a 12N si vedly nejlépe proti S. elongatus PCC 7942, zatímco 4S a 12S si vedly nejlépe proti CCAP 1479/1A (obr. 1e), i když zde zjevně existuje prostor pro další optimalizaci polymerní matrice.Tyto polymery byly použity v polodávkových testech čistého příjmu CO2.
Fotofyziologie byla monitorována po dobu 7 dnů za použití buněk suspendovaných ve vodné latexové kompozici.Obecně platí, že jak zdánlivá rychlost fotosyntézy (PS), tak maximální kvantový výtěžek PSII (Fv/Fm) s časem klesají, ale tento pokles je nerovnoměrný a některé soubory dat PS vykazují dvoufázovou odezvu, což naznačuje částečnou odezvu, i když zotavení v reálném čase kratší aktivita PS (obr. 2a a 3b).Dvoufázová odpověď Fv/Fm byla méně výrazná (obrázky 2b a 3b).
(a) Zdánlivá rychlost fotosyntézy (PS) a (b) maximální kvantový výtěžek PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus PCC 7942 v reakci na latexové formulace ve srovnání s kontrolními suspenzními kulturami.Poměr styrenu k butylakrylátu je 1:3 pro „tvrdý“ (H) latex, 1:1 pro „normální“ (N) a 3:1 pro „měkký“ (S).Předchozí čísla v latexovém kódu odpovídají obsahu Texanolu.(průměr ± standardní odchylka; n = 3).
(a) Zdánlivá rychlost fotosyntézy (PS) a (b) maximální kvantový výtěžek PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A v reakci na latexové formulace ve srovnání s kontrolními suspenzními kulturami.Poměr styrenu k butylakrylátu je 1:3 pro „tvrdý“ (H) latex, 1:1 pro „normální“ (N) a 3:1 pro „měkký“ (S).Předchozí čísla v latexovém kódu odpovídají obsahu Texanolu.(průměr ± standardní odchylka; n = 3).
U S. elongatus PCC 7942 složení latexu a koncentrace texanolu neovlivnily PS v průběhu času (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), ačkoli složení bylo důležitým faktorem (GLM)., latex*čas, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (obr. 2a).Nebyl zjištěn žádný významný vliv koncentrace texanolu v průběhu času (GLM, texanol*čas, DF=14, F=1,63, P=0,078).Došlo k významné interakci ovlivňující Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Čas, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Interakce mezi latexovou formulací a koncentrací texanolu měla významný vliv na Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Každý parametr také ovlivňuje Fv/Fm v čase (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 a Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=< 0,001).Latex 12H si udržel nejnižší průměrné hodnoty PS a Fv/Fm (obr. 2b), což ukazuje, že tento polymer je toxičtější.
PS S. elongatus CCAP 1479/1A byl významně odlišný (GLM, latex * Texanol * čas, DF = 28, F = 2,75, P = < 0,001), se složením latexu spíše než koncentrací texanolu (GLM, Latex*čas, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, texanol*čas, DF=14, F=1,26, P=0,239).„Měkké“ polymery 0S a 4S si udržely mírně vyšší úrovně výkonu PS než kontrolní suspenze (Mann-Whitney U, 0S versus kontroly, W = 686,0, P = 0,044, 4S versus kontroly, W = 713, P = 0,01) a udržely si zlepšená Fv./Fm (obr. 3a) ukazuje efektivnější transport do Fotosystému II.U hodnot Fv/Fm buněk CCAP 1479/1A byl významný latexový rozdíl v průběhu času (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (obrázek 3b).).
Na Obr.4 ukazuje průměrné PS a Fv/Fm za období 7 dnů jako funkci buněčného růstu pro každý kmen.S. elongatus PCC 7942 neměl jasný vzor (obr. 4a a b), avšak CCAP 1479/1A vykazoval parabolický vztah mezi hodnotami PS (obr. 4c) a Fv/Fm (obr. 4d). poměry styrenu a butylakrylátu rostou se změnou.
Vztah mezi růstem a fotofyziologií Synechococcus longum na latexových přípravcích.(a) Údaje o toxicitě vynesené proti zdánlivé rychlosti fotosyntézy (PS), (b) maximální kvantový výtěžek PSII (Fv/Fm) PCC 7942. c Údaje o toxicitě vynesené proti PS a d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Poměr styrenu k butylakrylátu je 1:3 pro „tvrdý“ (H) latex, 1:1 pro „normální“ (N) a 3:1 pro „měkký“ (S).Předchozí čísla v latexovém kódu odpovídají obsahu Texanolu.(průměr ± standardní odchylka; n = 3).
Biokompozit PCC 7942 měl omezený účinek na retenci buněk s významným vyluhováním buněk během prvních čtyř týdnů (obrázek 5).Po počáteční fázi vychytávání CO2 začaly buňky fixované 12N latexem uvolňovat CO2 a tento vzorec přetrvával mezi 4. a 14. dnem (obr. 5b).Tyto údaje jsou v souladu s pozorováním změny barvy pigmentu.Čistá absorpce CO2 začala znovu od 18. dne. Navzdory uvolnění buněk (obr. 5a) biokompozit PCC 7942 12 N stále akumuloval více CO2 než kontrolní suspenze během 28 dnů, i když nepatrně (Mann-Whitney U-test, W = 2275,5; P = 0,066).Rychlost absorpce CO2 latexem 12N a 4N je 0,51 ± 0,34 a 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 biomasy d-1.Mezi léčbou a časovou úrovní byl statisticky významný rozdíl (Chairer-Ray-Hare test, léčba: DF=2, H=70,62, P=<0,001 čas: DF=13, H=23,63, P=0,034), ale nebyl.existoval významný vztah mezi léčbou a časem (Chairer-Ray-Harův test, čas*léčba: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Poloviční testy příjmu CO2 na biokompozitech Synechococcus elongatus PCC 7942 s použitím 4N a 12N latexu.(a) Obrázky ukazují uvolňování buněk a změnu barvy pigmentu, stejně jako snímky SEM biokompozitu před a po testování.Bílé tečkované čáry označují místa ukládání buněk na biokompozit.b) Kumulativní čistá spotřeba CO2 za období čtyř týdnů.„Normální“ (N) latex má poměr styrenu k butylakrylátu 1:1.Předchozí čísla v latexovém kódu odpovídají obsahu Texanolu.(průměr ± standardní odchylka; n = 3).
Retence buněk byla významně zlepšena u kmene CCAP 1479/1A s 4S a 12S, i když pigment v průběhu času pomalu měnil barvu (obr. 6a).Biokompozit CCAP 1479/1A absorbuje CO2 po celých 84 dní (12 týdnů) bez dalších doplňků výživy.SEM analýza (obr. 6a) potvrdila vizuální pozorování oddělení malých buněk.Zpočátku byly buňky zapouzdřeny v latexovém potahu, který si zachoval svou integritu navzdory buněčnému růstu.Rychlost absorpce CO2 byla významně vyšší než u kontrolní skupiny (Scheirer-Ray-Harův test, léčba: DF=2; H=240,59; P=<0,001, čas: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Obr. 6b).Nejvyššího příjmu CO2 dosáhl biokompozit 12S (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 biomasy za den), zatímco 4S latex byl 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 biomasy za den, ale významně se nelišily (Mann-Whitney U test, W = 1507,50; P = 0,07) a žádná významná interakce mezi léčbou a časem (Shirer-Rey-Hara test, čas* léčba: DF = 82; H = 10,37; P = 1 000).
Poloviční testování absorpce CO2 pomocí biokompozitů Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A s 4N a 12N latexem.(a) Obrázky ukazují uvolňování buněk a změnu barvy pigmentu, stejně jako snímky SEM biokompozitu před a po testování.Bílé tečkované čáry označují místa ukládání buněk na biokompozit.b) Kumulativní čistá spotřeba CO2 za období dvanácti týdnů.„Měkký“ (S) latex má poměr styrenu k butylakrylátu 1:1.Předchozí čísla v latexovém kódu odpovídají obsahu Texanolu.(průměr ± standardní odchylka; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Harův test, čas*ošetření: DF=4, H=3,243, P=0,518) nebo biokompozit S. elongatus CCAP 1479/1A (dva-ANOVA, čas*ošetření: DF=8 F = 1,79, P = 0,119) (obr. S4).Biokompozit PCC 7942 měl nejvyšší obsah sacharidů v týdnu 2 (4 N = 59,4 ± 22,5 hmotn. %, 12 N = 67,9 ± 3,3 hmotn. %), zatímco kontrolní suspenze měla nejvyšší obsah sacharidů v týdnu 4, kdy (kontrola = 59,6 ± 2,84 % w/w).Celkový obsah sacharidů v biokompozitu CCAP 1479/1A byl srovnatelný s kontrolní suspenzí s výjimkou začátku pokusu, s některými změnami v 12S latexu v týdnu 4. Nejvyšší hodnoty pro biokompozit byly 51,9 ± 9,6 % hmotn. pro 4S a 77,1 ± 17,0 % hmotn. pro 12S.
Rozhodli jsme se demonstrovat možnosti návrhu pro zlepšení strukturální integrity tenkovrstvých latexových polymerních povlaků jako důležité součásti konceptu biokompozitu napodobujícího lišejníky, aniž bychom obětovali biokompatibilitu nebo výkon.Pokud budou překonány strukturální problémy spojené s buněčným růstem, očekáváme výrazné zlepšení výkonu oproti našim experimentálním biokompozitům, které jsou již srovnatelné s jinými systémy zachycování uhlíku u sinic a mikrořas.
Nátěry musí být netoxické, odolné, podporovat dlouhodobou adhezi buněk a musí být porézní, aby podporovaly účinný přenos hmoty CO2 a odplyňování O2.Akrylové polymery latexového typu se snadno připravují a jsou široce používány v průmyslu barev, textilu a lepidel30.Sinice jsme zkombinovali s akrylovou latexovou polymerní emulzí na vodní bázi polymerovanou se specifickým poměrem částic styren/butylakrylát a různými koncentracemi texanolu.Styren a butylakrylát byly vybrány tak, aby bylo možné řídit fyzikální vlastnosti, zejména elasticitu a koalescenční účinnost povlaku (kritické pro silný a vysoce adhezivní povlak), což umožňuje syntézu „tvrdých“ a „měkkých“ agregátů částic.Údaje o toxicitě naznačují, že „tvrdý“ latex s vysokým obsahem styrenu nepřispívá k přežití sinic.Na rozdíl od butylakrylátu je styren považován za toxický pro řasy32,33.Kmeny sinic reagovaly na latex zcela odlišně a optimální teplota skelného přechodu (Tg) byla stanovena pro S. elongatus PCC 7942, zatímco S. elongatus CCAP 1479/1A vykazoval negativní lineární vztah s Tg.
Teplota sušení ovlivňuje schopnost vytvořit souvislý stejnoměrný latexový film.Pokud je teplota sušení nižší než minimální teplota tvorby filmu (MFFT), částice polymerního latexu se plně nespojí, což povede k adhezi pouze na rozhraní částic.Výsledné filmy mají špatnou adhezi a mechanickou pevnost a mohou být dokonce v práškové formě29.MFFT úzce souvisí s Tg, který může být řízen složením monomeru a přidáním koalescentů, jako je texanol.Tg určuje mnoho fyzikálních vlastností výsledného povlaku, který může být v gumovitém nebo sklovitém stavu34.Podle Flory-Foxovy rovnice35 závisí Tg na typu monomeru a relativním procentuálním složení.Přidání koalescentu může snížit MFFT přerušovaným potlačováním Tg latexových částic, což umožňuje tvorbu filmu při nižších teplotách, ale stále vytváří tvrdý a silný povlak, protože koalescent se v průběhu času pomalu odpařuje nebo byl extrahován36.
Zvýšení koncentrace texanolu podporuje tvorbu filmu změkčením částic polymeru (snížením Tg) v důsledku absorpce částicemi během sušení, čímž se zvyšuje pevnost kohezního filmu a adheze buněk.Protože se biokompozit suší při teplotě okolí (~18–20 °C), je Tg (30 až 55 °C) „tvrdého“ latexu vyšší než teplota sušení, což znamená, že koalescence částic nemusí být optimální, což má za následek B filmy, které zůstávají sklovité, špatné mechanické a adhezivní vlastnosti, omezená elasticita a difuzivita30 nakonec vedou k větší ztrátě buněk.K tvorbě filmu z „normálních“ a „měkkých“ polymerů dochází při Tg polymerního filmu nebo pod ním a tvorba filmu je zlepšena zlepšenou koalescencí, což vede k kontinuálním polymerním filmům se zlepšenými mechanickými, kohezivními a adhezivními vlastnostmi.Výsledný film zůstane gumový během experimentů se zachycováním CO2, protože jeho Tg je blízko ("normální" směs: 12 až 20 °C) nebo mnohem nižší ("měkká" směs: -21 až -13 °C) okolní teplotě 30 .„Tvrdý“ latex (3,4 až 2,9 kgf mm–1) je třikrát tvrdší než „normální“ latex (1,0 až 0,9 kgf mm–1).Tvrdost „měkkých“ latexů nelze měřit pomocí mikrotvrdosti z důvodu jejich nadměrné gumovitosti a lepivosti při pokojové teplotě.Povrchový náboj může také ovlivnit adhezní afinitu, ale k poskytnutí smysluplných informací je zapotřebí více dat.Všechny latexy však účinně zadržovaly buňky a uvolňovaly méně než 1 %.
Produktivita fotosyntézy se časem snižuje.Expozice polystyrenu vede k narušení membrány a oxidačnímu stresu38,39,40,41.Hodnoty Fv/Fm S. elongatus CCAP 1479/1A vystavené 0S a 4S byly téměř dvakrát vyšší ve srovnání s kontrolou suspenze, což je v dobré shodě s rychlostí absorpce CO2 biokompozitu 4S, stejně jako s nižší střední hodnoty PS.hodnoty.Vyšší hodnoty Fv/Fm naznačují, že transport elektronů do PSII může dodat více fotonů42, což může mít za následek vyšší míru fixace CO2.Je však třeba poznamenat, že fotofyziologická data byla získána z buněk suspendovaných ve vodných latexových roztocích a nemusí být nutně přímo srovnatelná se zralými biokompozity.
Pokud latex vytváří bariéru pro výměnu světla a/nebo plynů, což vede k omezení světla a CO2, může způsobit buněčný stres a snížit výkon, a pokud ovlivňuje uvolňování O2, fotorespiraci39.Byla hodnocena propustnost světla vytvrzených povlaků: „tvrdý“ latex vykazoval mírný pokles propustnosti světla mezi 440 a 480 nm (zčásti zlepšeno zvýšením koncentrace texanolu díky zlepšené koalescenci filmu), zatímco „měkký“ a „normální“ ” latex vykazoval mírný pokles propustnosti světla.nevykazuje žádnou znatelnou ztrátu ztráty.Testy, stejně jako všechny inkubace, byly provedeny při nízké intenzitě světla (30,5 µmol m-2 s-1), takže jakékoli fotosynteticky aktivní záření způsobené polymerní matricí bude kompenzováno a může být dokonce užitečné při prevenci fotoinhibice.při škodlivé intenzitě světla.
Biokompozit CCAP 1479/1A fungoval během 84 dnů testování bez obratu živin nebo významné ztráty biomasy, což je klíčovým cílem studie.Depigmentace buněk může být spojena s procesem chlorózy v reakci na hladovění dusíkem za účelem dosažení dlouhodobého přežití (klidového stavu), což může pomoci buňkám obnovit růst poté, co bylo dosaženo dostatečné akumulace dusíku.Obrázky SEM potvrdily, že buňky zůstaly uvnitř povlaku navzdory buněčnému dělení, což prokázalo elasticitu „měkkého“ latexu a ukázalo se tak jasnou výhodou oproti experimentální verzi.„Měkký“ latex obsahuje asi 70 % butylakrylátu (hmotnostně), což je mnohem vyšší koncentrace než udávaná koncentrace pro pružný nátěr po zaschnutí44.
Čistá absorpce CO2 byla významně vyšší než u kontrolní suspenze (14–20 a 3–8krát vyšší u S. elongatus CCAP 1479/1A a PCC 7942, v tomto pořadí).Dříve jsme použili model přenosu hmoty CO2, abychom ukázali, že hlavní hnací silou vysoké absorpce CO2 je ostrý gradient koncentrace CO2 na povrchu biokompozitu31 a že výkon biokompozitu může být omezen odolností vůči přenosu hmoty.Tento problém lze překonat začleněním netoxických přísad nevytvářejících film do latexu, aby se zvýšila poréznost a propustnost povlaku26, ale retence buněk může být ohrožena, protože tato strategie nevyhnutelně povede ke slabšímu filmu20.Chemické složení lze během polymerace změnit, aby se zvýšila poréznost, což je nejlepší možnost, zejména z hlediska průmyslové výroby a škálovatelnosti45.
Výkon nového biokompozitu ve srovnání s nedávnými studiemi využívajícími biokompozity z mikrořas a sinic prokázal výhody v úpravě rychlosti zatěžování buněk (Tabulka 1)21,46 a delší doby analýzy (84 dní oproti 15 hodinám46 a 3 týdnům21).
Objemový obsah sacharidů v buňkách je příznivě srovnatelný s jinými studiemi47,48,49,50 využívajícími sinice a používá se jako potenciální kritérium pro aplikace zachycování a využití/rekuperace uhlíku, například pro fermentační procesy BECCS49,51 nebo pro výrobu biologicky rozložitelných bioplasty52.V rámci zdůvodnění této studie předpokládáme, že zalesňování, dokonce i uvažované v konceptu negativních emisí BECCS, není všelékem na změnu klimatu a spotřebovává alarmující podíl světové orné půdy6.Jako myšlenkový experiment se odhadovalo, že do roku 2100 bude z atmosféry potřeba odstranit 640 až 950 Gt CO2, aby se omezil nárůst globální teploty na 1,5 °C53 (asi 8 až 12 Gt CO2 za rok).Dosažení tohoto cíle pomocí biokompozitu s lepší výkonností (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 biomasy za rok-1) by vyžadovalo objemovou expanzi z 5,5 × 1010 na 8,2 × 1010 m3 (při srovnatelné fotosyntetické účinnosti), obsahující od 196 do 2,92 miliard litrů polymer.Za předpokladu, že 1 m3 biokompozitů zabere 1 m2 plochy země, bude plocha potřebná k pohlcení cílového ročního celkového CO2 mezi 5,5 a 8,17 miliony hektarů, což odpovídá 0,18-0,27 % vhodného pro život pozemků v tropy a zmenšit rozlohu pevniny.potřeba BECCS o 98–99 %.Je třeba poznamenat, že teoretický poměr záchytu je založen na absorpci CO2 zaznamenané při slabém osvětlení.Jakmile je biokompozit vystaven intenzivnějšímu přirozenému světlu, rychlost absorpce CO2 se zvyšuje, což dále snižuje požadavky na půdu a naklání misky vah směrem ke konceptu biokompozitu.Implementace však musí být na rovníku pro konstantní intenzitu a trvání podsvícení.
Globální efekt hnojení CO2, tj. zvýšení produktivity vegetace způsobené zvýšenou dostupností CO2, se na většině území snížil, pravděpodobně v důsledku změn klíčových půdních živin (N a P) a vodních zdrojů7.To znamená, že pozemská fotosyntéza nemusí vést ke zvýšení absorpce CO2, a to i přes zvýšené koncentrace CO2 ve vzduchu.V této souvislosti je ještě méně pravděpodobné, že budou úspěšné pozemní strategie zmírňování změny klimatu, jako je BECCS.Pokud se tento globální fenomén potvrdí, náš biokompozit inspirovaný lišejníky by mohl být klíčovým přínosem, který přemění jednobuněčné vodní fotosyntetické mikroby na „základní látky“.Většina suchozemských rostlin fixuje CO2 prostřednictvím fotosyntézy C3, zatímco rostliny C4 jsou příznivější pro teplejší a sušší stanoviště a jsou účinnější při vyšších parciálních tlacích CO254.Sinice nabízejí alternativu, která by mohla vyvážit alarmující předpovědi snížené expozice oxidu uhličitého v rostlinách C3.Sinice překonaly fotorespirační omezení vyvinutím účinného mechanismu obohacování uhlíkem, ve kterém jsou vyšší parciální tlaky CO2 prezentovány a udržovány ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxylázou/oxygenázou (RuBisCo) v okolních karboxyzomech.Pokud se podaří zvýšit produkci sinicových biokompozitů, mohlo by se to stát důležitou zbraní lidstva v boji proti klimatickým změnám.
Biokompozity (napodobeniny lišejníků) nabízejí jasné výhody oproti běžným suspenzním kulturám mikrořas a sinic, poskytují vyšší míru absorpce CO2, minimalizují rizika znečištění a slibují konkurenceschopné vyhýbání se CO2.Náklady výrazně snižují využití půdy, vody a živin56.Tato studie demonstruje proveditelnost vývoje a výroby vysoce výkonného biokompatibilního latexu, který v kombinaci s houbou z lufy jako kandidátním substrátem může poskytnout účinné a efektivní vychytávání CO2 během měsíců chirurgického zákroku při zachování buněčných ztrát na minimu.Biokompozity by teoreticky mohly zachytit přibližně 570 t CO2 t-1 biomasy ročně a mohou se ukázat jako důležitější než strategie zalesňování BECCS v naší reakci na změnu klimatu.S další optimalizací složení polymeru, testováním při vyšších intenzitách světla a v kombinaci s propracovaným metabolickým inženýrstvím mohou původní biogeoinženýři přírody opět přijít na pomoc.
Akrylové latexové polymery byly připraveny za použití směsi styrenových monomerů, butylakrylátu a kyseliny akrylové a pH bylo upraveno na 7 pomocí 0,1 M hydroxidu sodného (tabulka 2).Styren a butylakrylát tvoří většinu polymerních řetězců, zatímco kyselina akrylová pomáhá udržet latexové částice v suspenzi57.Strukturální vlastnosti latexu jsou určeny teplotou skelného přechodu (Tg), která je řízena změnou poměru styrenu a butylakrylátu, který poskytuje „tvrdé“ a „měkké“ vlastnosti58.Typický akrylový latexový polymer je 50:50 styren:butylakrylát 30, takže v této studii byl latex s tímto poměrem označován jako „normální“ latex a latex s vyšším obsahem styrenu byl označován jako latex s nižším obsahem styrenu. .nazývaný „měkký“ jako „tvrdý“.
Primární emulze byla připravena za použití destilované vody (174 g), hydrogenuhličitanu sodného (0,5 g) a povrchově aktivní látky Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) pro stabilizaci 30 kapiček monomeru.Pomocí skleněné injekční stříkačky (Science Glass Engineering) s injekční pumpou byl k primární emulzi během 4 hodin přikapán sekundární alikvot obsahující styren, butylakrylát a kyselinu akrylovou uvedené v tabulce 2 rychlostí 100 ml h-1 (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Připraví se roztok iniciátoru polymerace 59 za použití dHO a persíranu amonného (100 ml, 3 % hmotn./hmotn.).
Roztok obsahující dHO (206 g), hydrogenuhličitan sodný (1 g) a Rhodapex Ab/20 (4,42 g) promíchejte pomocí horního míchadla (Heidolph Hei-TORQUE hodnota 100) s nerezovou vrtulí a zahřejte na 82 °C v nádoba s vodním pláštěm ve vyhřívané vodní lázni VWR Scientific 1137P.Roztok monomeru se sníženou hmotností (28,21 g) a iniciátoru (20,60 g) byl přidán po kapkách do opláštěné nádoby a míchán po dobu 20 minut.Důkladně promíchejte zbývající roztoky monomeru (150 ml h-1) a iniciátoru (27 ml h-1), aby se částice udržely v suspenzi, dokud se během 5 h nepřidají do vodního pláště, pomocí 10 ml injekční stříkačky a 100 ml v nádobě. .doplněné injekční pumpou.Rychlost míchadla byla zvýšena v důsledku zvýšení objemu suspenze, aby se zajistilo zadržení suspenze.Po přidání iniciátoru a emulze byla reakční teplota zvýšena na 85 °C, dobře míchána při 450 otáčkách za minutu po dobu 30 minut, poté ochlazena na 65 °C.Po ochlazení byly k latexu přidány dva vytěsňovací roztoky: terc-butylhydroperoxid (t-BHP) (70 % ve vodě) (5 g, 14 % hmotnostních) a kyselina isoaskorbová (5 g, 10 % hmotnostních)..Po kapkách přidejte t-BHP a nechte 20 minut působit.Potom byla přidána kyselina erythorbová rychlostí 4 ml/h z 10ml injekční stříkačky za použití injekční pumpy.Latexový roztok se poté ochladí na teplotu místnosti a pH se upraví na 7 pomocí 0,1 M hydroxidu sodného.
2,2,4-trimethyl-1,3-pentandiol monoisobutyrát (Texanol) – biodegradabilní koalescent pro latexové barvy s nízkou toxicitou 37,60 – byl přidán injekční stříkačkou a pumpou ve třech objemech (0, 4, 12 % v/v) jako koalescenční činidlo pro latexovou směs pro usnadnění tvorby filmu během sušení37.Procento latexových pevných látek bylo stanoveno umístěním 100 ul každého polymeru do předem zvážených uzávěrů z hliníkové fólie a sušením v sušárně při 100 °C po dobu 24 hodin.
Pro přenos světla byla každá latexová směs aplikována na mikroskopické sklíčko s použitím nerezové kostky kapky kalibrované pro vytvoření 100 um filmů a sušena při 20 °C po dobu 48 hodin.Propustnost světla (zaměřená na fotosynteticky aktivní záření, λ 400–700 nm) byla měřena na spektroradiometru ILT950 SpectriLight se senzorem ve vzdálenosti 35 cm od 30W zářivky (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – kde světlo zdrojem byly sinice a organismy Kompozitní materiály jsou zachovány.Pro záznam osvětlení a prostupu v rozsahu λ 400–700 nm61 byl použit software SpectrILight III verze 3.5.Všechny vzorky byly umístěny na horní část senzoru a nepotažená skleněná sklíčka byla použita jako kontroly.
Vzorky latexu byly přidány do silikonové zapékací misky a ponechány sušit po dobu 24 hodin, než byly testovány na tvrdost.Usušený vzorek latexu umístěte na ocelovou čepičku pod mikroskop x10.Po zaostření byly vzorky vyhodnoceny na mikrotvrdoměru Buehler Micromet II.Vzorek byl vystaven síle 100 až 200 gramů a doba zatížení byla nastavena na 7 sekund, aby se ve vzorku vytvořil diamantový důlek.Tisk byl analyzován pomocí mikroskopu Bruker Alicona × 10 s dalším softwarem pro měření tvaru.Pro výpočet tvrdosti každého latexu byl použit Vickersův vzorec tvrdosti (Rovnice 1), kde HV je Vickersovo číslo, F je použitá síla a d je průměr úhlopříček vtisku vypočítaný z výšky a šířky latexu.hodnotu odsazení.„Měkký“ latex nelze měřit kvůli přilnavosti a roztažení během testu vtlačování.
Pro stanovení teploty skelného přechodu (Tg) latexové kompozice byly vzorky polymeru umístěny do silikagelových misek, sušeny po dobu 24 hodin, zváženy na 0,005 g a umístěny do misek na vzorky.Miska byla uzavřena a umístěna do diferenciálního skenovacího kolorimetru (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, software pro analýzu dat Pyris)62.Metoda tepelného toku se používá k umístění referenčních kelímků a kelímků na vzorky do stejné pece s vestavěnou teplotní sondou pro měření teploty.K vytvoření konzistentní křivky byly použity celkem dvě rampy.Vzorkovací metoda byla opakovaně zvyšována z -20 °C na 180 °C rychlostí 20 °C za minutu.Každý počáteční a koncový bod je uložen po dobu 1 minuty, aby se zohlednilo teplotní zpoždění.
Pro hodnocení schopnosti biokompozitu absorbovat CO2 byly vzorky připraveny a testovány stejným způsobem jako v naší předchozí studii31.Vysušená a autoklávovaná žínka byla nařezána na proužky přibližně 1 x 1 x 5 cm a zvážena.Naneste 600 µl dvou nejúčinnějších biopovlaků každého kmene sinic na jeden konec každého proužku lufy, pokrývající přibližně 1 × 1 × 3 cm, a sušte ve tmě při 20 °C po dobu 24 hodin.Vzhledem k makroporézní struktuře lufy se část vzorce vyplýtvala, takže účinnost naplnění buněk nebyla 100 %.K překonání tohoto problému byla stanovena hmotnost suchého přípravku na lufě a normalizována na referenční suchý přípravek.Abiotické kontroly sestávající z lufy, latexu a sterilního živného média byly připraveny podobným způsobem.
Chcete-li provést poloviční test absorpce CO2, umístěte biokompozit (n = 3) do 50 ml skleněné zkumavky tak, aby jeden konec biokompozitu (bez biopovlaku) byl v kontaktu s 5 ml růstového média, což živině umožní být transportován kapilárním působením..Lahvička je uzavřena butylkaučukovou zátkou o průměru 20 mm a zalemována stříbřitým hliníkovým uzávěrem.Po utěsnění vstříkněte 45 ml 5% CO2/vzduch pomocí sterilní jehly připojené k plynotěsné injekční stříkačce.Hustota buněk kontrolní suspenze (n = 3) byla ekvivalentní buněčnému zatížení biokompozitu v živném médiu.Testy byly provedeny při 18 ± 2 °C s fotoperiodou 16:8 a fotoperiodou 30,5 µmol m-2 s-1.Prostor nad hlavou byl odstraňován každé dva dny plynotěsnou injekční stříkačkou a analyzován měřičem CO2 s infračervenou absorpcí GEOTech G100 pro stanovení procenta absorbovaného CO2.Přidejte stejný objem plynné směsi CO2.
% CO2 Fix se vypočítá následovně: % CO2 Fix = 5 % (v/v) – napište % CO2 (rovnice 2), kde P = tlak, V = objem, T = teplota a R = konstanta ideálního plynu.
Uváděné rychlosti absorpce CO2 pro kontrolní suspenze sinic a biokompozitů byly normalizovány na nebiologické kontroly.Funkční jednotkou g biomasy je množství suché biomasy imobilizované na žínku.Stanovuje se vážením vzorků lufy před a po fixaci buněk.Započítání hmotnosti buněčné zátěže (ekvivalent biomasy) individuálním zvážením přípravků před a po sušení a výpočtem hustoty buněčného přípravku (rovnice 3).Předpokládá se, že buněčné preparáty jsou během fixace homogenní.
Pro statistickou analýzu byly použity Minitab 18 a Microsoft Excel s doplňkem RealStatistics.Normalita byla testována pomocí Anderson-Darlingova testu a rovnost rozptylů byla testována pomocí Leveneova testu.Data splňující tyto předpoklady byla analyzována pomocí dvoucestné analýzy rozptylu (ANOVA) s Tukeyho testem jako post hoc analýzou.Dvoucestná data, která nesplňovala předpoklady normality a stejné odchylky, byla analyzována pomocí Shirer-Ray-Hara testu a poté Mann-Whitneyho U-testu pro stanovení významnosti mezi ošetřeními.Pro nenormální data se třemi faktory byly použity zobecněné lineární smíšené (GLM) modely, kde byla data transformována pomocí Johnsonovy transformace63.Pro vyhodnocení vztahu mezi koncentrací texanolu, teplotou skelného přechodu a toxicitou latexu a údaji o adhezi byly provedeny momentové korelace produktů Pearson.
Čas odeslání: leden-05-2023