Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Користите верзију претраживача са ограниченом подршком за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).Поред тога, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказујемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Приказује вртешку од три слајда одједном.Користите дугмад Претходно и Следеће да бисте се кретали кроз три слајда одједном или користите дугмад клизача на крају да бисте се кретали кроз три слајда одједном.
Сакупљање и складиштење угљеника је од суштинског значаја за постизање циљева Париског споразума.Фотосинтеза је природна технологија за хватање угљеника.Црпећи инспирацију из лишајева, развили смо фотосинтетички биокомпозит 3Д цијанобактерија (тј. опонашајући лишајеве) користећи акрилни латекс полимер нанесен на сунђер луфе.Стопа узимања ЦО2 биокомпозитом била је 1,57 ± 0,08 г ЦО2 г-1 биомасе д-1.Стопа узимања се заснива на сувој биомаси на почетку експеримента и укључује ЦО2 који се користи за узгој нове биомасе, као и ЦО2 садржан у једињењима за складиштење као што су угљени хидрати.Ове стопе апсорпције биле су 14-20 пута веће од мера контроле стајњака и потенцијално би могле да се повећају на хватање 570 т ЦО2 т-1 биомасе годишње-1, што је еквивалентно 5,5-8,17 × 106 хектара коришћења земљишта, уклањајући 8-12 ГтЦО2 ЦО2 годишње.Насупрот томе, шумска биоенергија са хватањем и складиштењем угљеника износи 0,4–1,2 × 109 ха.Биокомпозит је остао функционалан 12 недеља без додатних хранљивих материја или воде, након чега је експеримент прекинут.У оквиру вишеструког технолошког става човечанства за борбу против климатских промена, пројектовани и оптимизовани биокомпозити цијанобактерије имају потенцијал за одрживо и скалабилно примену како би се повећало уклањање ЦО2 уз смањење губитака воде, хранљивих материја и земљишта.
Климатске промене представљају стварну претњу глобалном биодиверзитету, стабилности екосистема и људима.Да би се ублажили њени најгори ефекти, потребни су координисани и обимни програми декарбонизације, и, наравно, потребан је неки облик директног уклањања гасова стаклене баште из атмосфере.Упркос позитивној декарбонизацији производње електричне енергије2,3, тренутно не постоје економски одржива технолошка решења за смањење атмосферског угљен-диоксида (ЦО2)4, иако захватање димних гасова напредује5.Уместо скалабилних и практичних инжењерских решења, људи би требало да се обрате природним инжењерима за хватање угљеника – фотосинтетичким организмима (фототрофним организмима).Фотосинтеза је природна технологија секвестрације угљеника, али њена способност да преокрене антропогено обогаћивање угљеником на значајним временским скалама је упитна, ензими су неефикасни, а њена способност да се примени у одговарајућим размерама је упитна.Потенцијални пут за фототрофију је пошумљавање, које сече дрвеће за биоенергију са хватањем и складиштењем угљеника (БЕЦЦС) као технологијом негативних емисија која може помоћи у смањењу нето емисије ЦО21.Међутим, да би се постигао температурни циљ Париског споразума од 1,5°Ц коришћењем БЕЦЦС-а као главне методе било би потребно 0,4 до 1,2 × 109 ха, што је еквивалентно 25–75% тренутног глобалног обрадивог земљишта6.Поред тога, неизвесност повезана са глобалним ефектима ђубрења ЦО2 доводи у питање потенцијалну укупну ефикасност шумских плантажа7.Ако желимо да постигнемо температурне циљеве постављене Париским споразумом, 100 секунди ГтЦО2 гасова стаклене баште (ГГР) мора бити уклоњено из атмосфере сваке године.Одељење за истраживање и иновације Уједињеног Краљевства недавно је објавило финансирање пет ГГР8 пројеката, укључујући управљање тресетиштем, побољшано трошење камења, садњу дрвећа, биоугљевље и вишегодишње усеве како би се хранио БЕЦЦС процес.Трошкови уклањања више од 130 МтЦО2 из атмосфере годишње су 10-100 УС$/тЦО2, 0,2-8,1 МтЦО2 годишње за обнову тресетишта, 52-480 УС$/тЦО2 и 12-27 МтЦО2 годишње за трошење стена , 0,4-30 УСД/год.тЦО2, 3,6 МтЦО2/год, 1% повећање шумске површине, 0,4-30 УС$/тЦО2, 6-41 МтЦО2/год, биоугље, 140-270 УС$/тЦО2, 20 –70 Мт ЦО2 годишње за трајне усеве који користе БЕЦЦС9.
Комбинација ових приступа потенцијално би могла да достигне циљ од 130 Мт ЦО2 годишње, али трошкови трошења камења и БЕЦЦС-а су високи, а биоугље, иако релативно јефтин и није повезан са коришћењем земљишта, захтева сировину за процес производње биоугља.нуди овај развој и број за примену других ГГР технологија.
Уместо да тражите решења на копну, потражите воду, посебно једноћелијске фототрофе као што су микроалге и цијанобактерије10.Алге (укључујући цијанобактерије) захватају приближно 50% светског угљен-диоксида, иако чине само 1% светске биомасе11.Цијанобактерије су оригинални природни биогеоинжењери, који постављају основу за респираторни метаболизам и еволуцију вишећелијског живота кроз фотосинтезу кисеоника12.Идеја коришћења цијанобактерија за хватање угљеника није нова, али иновативне методе физичког постављања отварају нове хоризонте за ове древне организме.
Отворена језера и фотобиореактори су подразумевана средства када се микроалге и цијанобактерије користе у индустријске сврхе.Ови системи културе користе културу суспензије у којој ћелије слободно лебде у медијуму за раст14;међутим, рибњаци и фотобиореактори имају многе недостатке као што су лош пренос масе ЦО2, интензивно коришћење земљишта и воде, подложност биолошком обраштању и високи трошкови изградње и рада15,16.Биофилмски биореактори који не користе суспензијске културе су економичнији у погледу воде и простора, али су изложени ризику од оштећења исушивањем, склони одвајању биофилма (а самим тим и губитку активне биомасе), и подједнако су склони биообраштању17.
Неопходни су нови приступи за повећање стопе узимања ЦО2 и решавање проблема који ограничавају реакторе са суспензијом и биофилмом.Један такав приступ су фотосинтетски биокомпозити инспирисани лишајевима.Лишајеви су комплекс гљива и фотобионта (микроалге и/или цијанобактерије) који покривају приближно 12% Земљине површине18.Гљиве обезбеђују физичку подршку, заштиту и сидрење фотобиотичког супстрата, што заузврат обезбеђује гљивама угљеник (као вишак фотосинтетских производа).Предложени биокомпозит је „миметик лишајева“, у коме је концентрисана популација цијанобактерија имобилисана у облику танке биопревлаке на супстрату носача.Поред ћелија, биопремаз садржи полимерну матрицу која може заменити гљивицу.Полимерне емулзије на бази воде или „латекси” су пожељније јер су биокомпатибилне, издржљиве, јефтине, једноставне за руковање и комерцијално доступне19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
На фиксацију ћелија латекс полимерима у великој мери утиче састав латекса и процес формирања филма.Емулзиона полимеризација је хетероген процес који се користи за производњу синтетичке гуме, адхезивних премаза, заптивача, адитива за бетон, папирних и текстилних премаза и латекс боја27.Има бројне предности у односу на друге методе полимеризације, као што су висока брзина реакције и ефикасност конверзије мономера, као и лакоћа контроле производа27,28.Избор мономера зависи од жељених особина резултујућег полимерног филма, а за мешовите мономерне системе (тј. кополимеризације), својства полимера се могу мењати избором различитих односа мономера који формирају резултујући полимерни материјал.Бутил акрилат и стирен су међу најчешћим мономерима акрилног латекса и овде се користе.Поред тога, агенси за спајање (нпр. Теканол) се често користе за промовисање равномерног формирања филма где могу да промене својства полимерног латекса да би произвели јак и „континуиран“ (коалесцентни) премаз.У нашој почетној студији о доказу концепта, 3Д биокомпозит велике површине и високе порозности произведен је коришћењем комерцијалне латекс боје нанешене на сунђер од луфе.После дугих и непрекидних манипулација (осам недеља), биокомпозит је показао ограничену способност да задржи цијанобактерије на скели луфе јер је раст ћелија ослабио структурни интегритет латекса.У овој студији, имали смо за циљ да развијемо серију акрилних латекс полимера познате хемије за континуирану употребу у апликацијама за хватање угљеника без жртвовања деградације полимера.На тај начин, показали смо способност стварања полимерних матричних елемената налик лишајевима који обезбеђују побољшане биолошке перформансе и значајно повећану механичку еластичност у поређењу са доказаним биокомпозитима.Даља оптимизација ће убрзати усвајање биокомпозита за хватање угљеника, посебно када се комбинује са цијанобактеријама које су метаболички модификоване да побољшају секвестрацију ЦО2.
Девет латекса са три полимерне формулације (Х = "тврдо", Н = "нормално", С = "меко") и три типа тексанола (0, 4, 12% в/в) тестирано је на токсичност и корелацију соја.Лепак.од две цијанобактерије.Тип латекса је значајно утицао на С. елонгатус ПЦЦ 7942 (Схирер-Раи-Харе тест, латекс: ДФ=2, Х=23,157, П=<0,001) и ЦЦАП 1479/1А (двосмерна АНОВА, латекс: ДФ=2, Ф = 103,93, П = < 0,001) (слика 1а).Концентрација тексанола није значајно утицала на раст С. елонгатус ПЦЦ 7942, само је Н-латекс био нетоксичан (слика 1а), а 0 Н и 4 Н су одржавале раст од 26% и 35%, респективно (Манн- Вхитнеи У, 0 Н наспрам 4 Н: В = 13,50, П = 0,245; 0 Н у односу на контролу: В = 25,0, П = 0,061; 4 Н наспрам контроле: В = 25,0, П = 0,061) и 12 Н задржали раст упоредив на биолошку контролу (Манн-Вхитнеи Университи, 12 Н наспрам контроле: В = 17,0, П = 0,885).За С. елонгатус ЦЦАП 1479/1А, и смеша латекса и концентрација тексанола су били важни фактори, а примећена је значајна интеракција између њих (двосмерна АНОВА, латекс: ДФ=2, Ф=103,93, П=<0,001, тексанол : ДФ=2, Ф=5,96, П=0,01, Латек*Теканол: ДФ=4, Ф=3,41, П=0,03).0 Н и сви „меки” латекси су подстакли раст (слика 1а).Постоји тенденција побољшања раста са смањењем састава стирена.
Испитивање токсичности и адхезије цијанобактерија (Синецхоцоццус елонгатус ПЦЦ 7942 и ЦЦАП 1479/1А) на формулације латекса, однос са температуром стакластог прелаза (Тг) и матрица за одлучивање на основу података о токсичности и адхезији.(а) Испитивање токсичности је обављено коришћењем одвојених дијаграма процента раста цијанобактерија нормализованих за контролу суспензијских култура.Третмани означени са * значајно се разликују од контролних.(б) Подаци о расту цијанобактерија у односу на Тг латекс (средња вредност ± СД; н = 3).(ц) Кумулативни број цијанобактерија ослобођених из теста адхезије биокомпозита.(д) Подаци о адхезији у односу на Тг латекса (средња вредност ± СтДев; н = 3).е Матрица одлуке заснована на подацима о токсичности и адхезији.Однос стирена и бутил акрилата је 1:3 за „тврди” (Х) латекс, 1:1 за „нормалан” (Н) и 3:1 за „меки” (С).Претходни бројеви у коду за латекс одговарају садржају Теканола.
У већини случајева, виталност ћелија се смањивала са повећањем концентрације тексанола, али није било значајне корелације ни за један од сојева (ЦЦАП 1479/1А: ДФ = 25, р = -0,208, П = 0,299; ПЦЦ 7942: ДФ = 25, р = – 0,127, П = 0,527).На сл.1б приказује однос између раста ћелије и температуре стакластог прелаза (Тг).Постоји јака негативна корелација између концентрације тексанола и вредности Тг (Х-латекс: ДФ=7, р=-0,989, П=<0,001; Н-латекс: ДФ=7, р=-0,964, П=<0,001 С-латекс: ДФ=7, р=-0,946, П=<0,001).Подаци су показали да је оптимални Тг за раст С. елонгатус ПЦЦ 7942 био око 17 °Ц (Слика 1б), док је С. елонгатус ЦЦАП 1479/1А фаворизовао Тг испод 0 °Ц (Слика 1б).Само С. елонгатус ЦЦАП 1479/1А имао је јаку негативну корелацију између Тг и података о токсичности (ДФ=25, р=-0,857, П=<0,001).
Сви латекси су имали добар афинитет за адхезију, а ниједан од њих није ослободио више од 1% ћелија након 72 х (слика 1ц).Није било значајне разлике између латекса два соја С. елонгатус (ПЦЦ 7942: Сцхеирер-Раи-Хара тест, Латек*Теканол, ДФ=4, Х=0,903; П=0,924; ЦЦАП 1479/1А: Сцхеирер- Раи тест).– Харе тест, латекс*тексанол, ДФ=4, Х=3,277, П=0,513).Како се концентрација тексанола повећава, ослобађа се више ћелија (слика 1ц).у поређењу са С. елонгатус ПЦЦ 7942 (ДФ=25, р=-0,660, П=<0,001) (Слика 1д).Штавише, није било статистичке везе између Тг и ћелијске адхезије два соја (ПЦЦ 7942: ДФ=25, р=0,301, П=0,127; ЦЦАП 1479/1А: ДФ=25, р=0,287, П=0,147).
За оба соја, "тврди" латекс полимери су били неефикасни.Насупрот томе, 4Н и 12Н су се најбоље показали против С. елонгатус ПЦЦ 7942, док су 4С и 12С били најбољи против ЦЦАП 1479/1А (слика 1е), иако очигледно има простора за даљу оптимизацију полимерне матрице.Ови полимери су коришћени у полусеријским тестовима нето апсорпције ЦО2.
Фотофизиологија је праћена 7 дана коришћењем ћелија суспендованих у воденој композицији латекса.Генерално, и привидна стопа фотосинтезе (ПС) и максимални квантни принос ПСИИ (Фв/Фм) се смањују са временом, али ово смањење је неуједначено и неки скупови података ПС показују двофазни одговор, сугеришући делимичан одговор, иако опоравак у реалном времену краћа активност ПС (сл. 2а и 3б).Двофазни Фв/Фм одговор је био мање изражен (слике 2б и 3б).
(а) Привидна стопа фотосинтезе (ПС) и (б) максимални квантни принос ПСИИ (Фв/Фм) Синецхоцоццус елонгатус ПЦЦ 7942 као одговор на формулације латекса у поређењу са контролним суспензијским културама.Однос стирена и бутил акрилата је 1:3 за „тврди” (Х) латекс, 1:1 за „нормалан” (Н) и 3:1 за „меки” (С).Претходни бројеви у коду за латекс одговарају садржају Теканола.(средња вредност ± стандардна девијација; н = 3).
(а) Привидна стопа фотосинтезе (ПС) и (б) максимални квантни принос ПСИИ (Фв/Фм) Синецхоцоццус елонгатус ЦЦАП 1479/1А као одговор на формулације латекса у поређењу са контролним суспензијским културама.Однос стирена и бутил акрилата је 1:3 за „тврди” (Х) латекс, 1:1 за „нормалан” (Н) и 3:1 за „меки” (С).Претходни бројеви у коду за латекс одговарају садржају Теканола.(средња вредност ± стандардна девијација; н = 3).
За С. елонгатус ПЦЦ 7942, састав латекса и концентрација тексанола нису утицали на ПС током времена (ГЛМ, Латек*Теканол*Тиме, ДФ = 28, Ф = 1,49, П = 0,07), иако је састав био важан фактор (ГЛМ)., латекс*време, ДФ = 14, Ф = 3,14, П = <0,001) (слика 2а).Није било значајног ефекта концентрације Теканола током времена (ГЛМ, Теканол*време, ДФ=14, Ф=1,63, П=0,078).Постојала је значајна интеракција која утиче на Фв/Фм (ГЛМ, Латек*Теканол*Тиме, ДФ=28, Ф=4,54, П=<0,001).Интеракција између формулације латекса и концентрације Теканола имала је значајан утицај на Фв/Фм (ГЛМ, Латек*Теканол, ДФ=4, Ф=180,42, П=<0,001).Сваки параметар такође утиче на Фв/Фм током времена (ГЛМ, Латек*Тиме, ДФ=14, Ф=9,91, П=<0,001 и Теканол*Тиме, ДФ=14, Ф=10,71, П=< 0,001).Латекс 12Х је задржао најниже просечне вредности ПС и Фв/Фм (слика 2б), што указује да је овај полимер токсичнији.
ПС С. елонгатус ЦЦАП 1479/1А се значајно разликовао (ГЛМ, латекс * Теканол * време, ДФ = 28, Ф = 2,75, П = <0,001), са саставом латекса уместо концентрације тексанола (ГЛМ, Латек*време, ДФ =14, Ф=6,38, П=<0,001, ГЛМ, Теканол*време, ДФ=14, Ф=1,26, П=0,239).„Меки“ полимери 0С и 4С су задржали нешто више нивое ПС перформанси од контролних суспензија (Манн-Вхитнеи У, 0С у односу на контроле, В = 686,0, П = 0,044, 4С наспрам контрола, В = 713, П = 0,01) и одржавали побољшана Фв./Фм (слика 3а) показује ефикаснији транспорт до Пхотосистема ИИ.За Фв/Фм вредности ћелија ЦЦАП 1479/1А, постојала је значајна разлика у латексу током времена (ГЛМ, Латек*Теканол*Тиме, ДФ=28, Ф=6,00, П=<0,001) (Слика 3б).).
На сл.Слика 4 приказује просечне ПС и Фв/Фм током периода од 7 дана као функцију раста ћелија за сваки сој.С. елонгатус ПЦЦ 7942 није имао јасан образац (сл. 4а и б), међутим, ЦЦАП 1479/1А је показао параболични однос између вредности ПС (слика 4ц) и Фв/Фм (слика 4д) као односи стирена и бутил акрилата расту са променом.
Однос раста и фотофизиологије Синецхоцоццус лонгум на препаратима од латекса.(а) Подаци о токсичности нацртани у односу на привидну брзину фотосинтезе (ПС), (б) максимални квантни принос ПСИИ (Фв/Фм) ПЦЦ 7942. ц Подаци о токсичности у односу на ПС и д Фв/Фм ЦЦАП 1479/1А.Однос стирена и бутил акрилата је 1:3 за „тврди” (Х) латекс, 1:1 за „нормалан” (Н) и 3:1 за „меки” (С).Претходни бројеви у коду за латекс одговарају садржају Теканола.(средња вредност ± стандардна девијација; н = 3).
Биокомпозит ПЦЦ 7942 имао је ограничен ефекат на задржавање ћелија уз значајно испирање ћелија током прве четири недеље (Слика 5).Након почетне фазе узимања ЦО2, ћелије фиксиране са 12 Н латексом почеле су да ослобађају ЦО2, а овај образац је трајао између 4. и 14. дана (Слика 5б).Ови подаци су у складу са запажањима промене боје пигмента.Нето унос ЦО2 је поново почео од 18. дана. Упркос ослобађању ћелија (слика 5а), биокомпозит ПЦЦ 7942 12 Н је и даље акумулирао више ЦО2 од контролне суспензије током 28 дана, иако незнатно (Манн-Вхитнеи У-тест, В = 2275,5; П = 0,066).Брзина апсорпције ЦО2 латексом 12 Н и 4 Н је 0,51 ± 0,34 и 1,18 ± 0,29 г ЦО2 г-1 биомасе д-1.Постојала је статистички значајна разлика између третмана и временског нивоа (Цхаирер-Раи-Харе тест, третман: ДФ=2, Х=70,62, П=<0,001 време: ДФ=13, Х=23,63, П=0,034), али није био.постојала је значајна веза између третмана и времена (Цхаирер-Раи-Хар тест, време*третман: ДФ=26, Х=8,70, П=0,999).
Полусеријски тестови упијања ЦО2 на биокомпозитима Синецхоцоццус елонгатус ПЦЦ 7942 коришћењем 4Н и 12Н латекса.(а) Слике показују ослобађање ћелија и промену боје пигмента, као и СЕМ слике биокомпозита пре и после тестирања.Беле испрекидане линије означавају места депозиције ћелија на биокомпозиту.(б) Кумулативно нето унос ЦО2 током периода од четири недеље.„Нормални“ (Н) латекс има однос стирена и бутил акрилата 1:1.Претходни бројеви у коду за латекс одговарају садржају Теканола.(средња вредност ± стандардна девијација; н = 3).
Задржавање ћелија је значајно побољшано за сој ЦЦАП 1479/1А са 4С и 12С, иако је пигмент полако мењао боју током времена (слика 6а).Биокомпозит ЦЦАП 1479/1А апсорбује ЦО2 пуна 84 дана (12 недеља) без додатних додатака исхрани.СЕМ анализа (слика 6а) потврдила је визуелно посматрање одвајања малих ћелија.У почетку, ћелије су биле обложене премазом од латекса који је задржао свој интегритет упркос расту ћелија.Стопа узимања ЦО2 била је значајно већа од контролне групе (Сцхеирер-Раи-Хар тест, третман: ДФ=2; Х=240,59; П=<0,001, време: ДФ=42; Х=112; П=<0,001) ( Слика 6б).Биокомпозит 12С је остварио највећи унос ЦО2 (1,57 ± 0,08 г ЦО2 г-1 биомасе дневно), док је 4С латекс био 1,13 ± 0,41 г ЦО2 г-1 биомасе дневно, али се нису значајно разликовали (Манн-Вхитнеи У .тест, В = 1507,50; П = 0,07) и без значајне интеракције између третмана и времена (Схирер-Реи-Хара тест, време * третман: ДФ = 82; Х = 10,37; П = 1,000).
Тестирање узимања ЦО2 од пола серије коришћењем Синецхоцоццус елонгатус ЦЦАП 1479/1А биокомпозита са 4Н и 12Н латексом.(а) Слике показују ослобађање ћелија и промену боје пигмента, као и СЕМ слике биокомпозита пре и после тестирања.Беле испрекидане линије означавају места депозиције ћелија на биокомпозиту.(б) Кумулативно нето усвајање ЦО2 током периода од дванаест недеља.„Меки“ (С) латекс има однос стирена и бутил акрилата 1:1.Претходни бројеви у коду за латекс одговарају садржају Теканола.(средња вредност ± стандардна девијација; н = 3).
С. елонгатус ПЦЦ 7942 (Схирер-Раи-Хар тест, време*третман: ДФ=4, Х=3,243, П=0,518) или биокомпозит С. елонгатус ЦЦАП 1479/1А (два-АНОВА, време*третман: ДФ=8 , Ф = 1,79, П = 0,119) (слика С4).Биокомпозит ПЦЦ 7942 је имао највећи садржај угљених хидрата у 2. недељи (4 Н = 59,4 ± 22,5 теж%, 12 Н = 67,9 ± 3,3 теж%), док је контролна суспензија имала највећи садржај угљених хидрата у 4. недељи када (контрола = 59,6 ± 2,84 %). в/в).Укупни садржај угљених хидрата у биокомпозиту ЦЦАП 1479/1А био је упоредив са контролном суспензијом осим на почетку испитивања, уз извесне промене у 12С латексу у 4. недељи. Највеће вредности за биокомпозит су биле 51,9 ± 9,6 теж.% за 4С и 77,1 ± 17,0 теж% за 12С.
Намеравали смо да покажемо могућности дизајна за побољшање структурног интегритета танкослојних латекс полимерних премаза као важне компоненте концепта биокомпозита који опонаша лишајеве без жртвовања биокомпатибилности или перформанси.Заиста, ако се превазиђу структурни изазови повезани са растом ћелија, очекујемо значајна побољшања перформанси у односу на наше експерименталне биокомпозите, који су већ упоредиви са другим системима за хватање угљеника цијанобактерија и микроалги.
Премази морају бити нетоксични, издржљиви, подржавају дуготрајну ћелијску адхезију и морају бити порозни да би промовисали ефикасан пренос масе ЦО2 и дегазацију О2.Акрилни полимери типа латекса се лако припремају и широко се користе у индустрији боја, текстила и лепкова30.Комбиновали смо цијанобактерије са емулзијом полимера акрилног латекса на бази воде која је полимеризована са специфичним односом честица стирен/бутил акрилата и различитим концентрацијама тексанола.Стирен и бутил акрилат су одабрани да би могли да контролишу физичка својства, посебно еластичност и ефикасност коалесценције премаза (критично за јак и високо адхезивни премаз), омогућавајући синтезу „тврдих“ и „меких“ агрегата честица.Подаци о токсичности сугеришу да „тврди“ латекс са високим садржајем стирена није погодан за опстанак цијанобактерија.За разлику од бутил акрилата, стирен се сматра токсичним за алге32,33.Сојеви цијанобактерија су сасвим различито реаговали на латекс, а оптимална температура преласка стакла (Тг) је одређена за С. елонгатус ПЦЦ 7942, док је С. елонгатус ЦЦАП 1479/1А показао негативну линеарну везу са Тг.
Температура сушења утиче на способност формирања непрекидног једноличног латекс филма.Ако је температура сушења испод минималне температуре формирања филма (МФФТ), честице полимерног латекса неће се у потпуности спојити, што ће резултирати адхезијом само на интерфејсу честица.Добијени филмови имају слабу адхезију и механичку чврстоћу и могу бити чак и у облику праха29.МФФТ је блиско повезан са Тг, који се може контролисати саставом мономера и додатком коалесцента као што је Теканол.Тг одређује многа физичка својства резултујућег премаза, који може бити у гуменом или стакластом стању34.Према Флори-Фок једначини35, Тг зависи од врсте мономера и релативног процентуалног састава.Додавање коалесцента може смањити МФФТ повременом супресијом Тг честица латекса, што омогућава формирање филма на нижим температурама, али и даље формира тврду и јаку превлаку јер коалесцент полако испарава током времена или је екстрахован 36 .
Повећање концентрације Теканола подстиче стварање филма омекшавањем честица полимера (смањење Тг) услед апсорпције од стране честица током сушења, чиме се повећава јачина кохезивног филма и ћелијска адхезија.Пошто се биокомпозит суши на температури околине (~18–20°Ц), Тг (30 до 55°Ц) „тврдог“ латекса је виши од температуре сушења, што значи да коалесцентност честица можда неће бити оптимална, што доводи до Б филмови који остају стакласти, лоша механичка и адхезивна својства, ограничена еластичност и дифузност30 на крају доводе до већег губитка ћелија.Формирање филма од „нормалних“ и „меких“ полимера се дешава на или испод Тг полимерног филма, а формирање филма се побољшава побољшаном коалесценцијом, што резултира континуираним полимерним филмовима са побољшаним механичким, кохезивним и адхезивним својствима.Добијени филм ће остати гумен током експеримената са хватањем ЦО2 због тога што је његов Тг близу („нормална” мешавина: 12 до 20 ºЦ) или много нижа („мека” мешавина: -21 до -13 °Ц) до температуре околине 30 .„Тврди“ латекс (3,4 до 2,9 кгф мм–1) је три пута тврђи од „нормалног“ латекса (1,0 до 0,9 кгф мм–1).Тврдоћа „меких“ латекса не може се мерити микротврдоћом због њихове претеране гуме и лепљивости на собној температури.Површинско пуњење такође може утицати на афинитет адхезије, али је потребно више података да би се пружиле значајне информације.Међутим, сви латекси су ефикасно задржали ћелије, ослобађајући мање од 1%.
Продуктивност фотосинтезе се временом смањује.Излагање полистирену доводи до оштећења мембране и оксидативног стреса38,39,40,41.Фв/Фм вредности С. елонгатус ЦЦАП 1479/1А изложене 0С и 4С биле су скоро дупло веће у поређењу са контролом суспензије, што је у добром слагању са стопом узимања ЦО2 4С биокомпозита, као и са ниже средње вредности ПС.вредности.Више вредности Фв/Фм указују на то да транспорт електрона до ПСИИ може да испоручи више фотона42, што може резултирати већим стопама фиксације ЦО2.Међутим, треба напоменути да су фотофизиолошки подаци добијени из ћелија суспендованих у воденим растворима латекса и не морају нужно бити директно упоредиви са зрелим биокомпозитима.
Ако латекс ствара препреку за размену светлости и/или гаса што доводи до ограничења светлости и ЦО2, може изазвати ћелијски стрес и смањити перформансе, а ако утиче на ослобађање О2, фотореспирацију39.Процењивана је трансмисија светлости очвршћених премаза: „тврди“ латекс је показао благи пад трансмисије светлости између 440 и 480 нм (побољшано делимично повећањем концентрације тексанола због побољшане коалесценције филма), док је „меки“ и „правилан“ ” латекс је показао благи пад у пропуштању светлости.не показује приметан губитак губитка.Тестови, као и све инкубације, изведени су при ниском интензитету светлости (30,5 µмол м-2 с-1), тако да ће свако фотосинтетички активно зрачење због полимерне матрице бити компензовано и чак може бити корисно у спречавању фотоинхибиције.при штетним интензитетима светлости.
Биокомпозит ЦЦАП 1479/1А је функционисао током 84 дана тестирања, без промене хранљивих материја или значајног губитка биомасе, што је кључни циљ студије.Депигментација ћелија може бити повезана са процесом хлорозе као одговором на гладовање азотом како би се постигло дугорочно преживљавање (стање мировања), што може помоћи ћелијама да наставе раст након што се постигне довољна акумулација азота.СЕМ слике су потврдиле да су ћелије остале унутар премаза упркос деоби ћелија, показујући еластичност „меког“ латекса и на тај начин показујући јасну предност у односу на експерименталну верзију.„Меки” латекс садржи око 70% бутил акрилата (тежински), што је много више од наведене концентрације за флексибилни премаз након сушења44.
Нето апсорпција ЦО2 била је значајно већа него код контролне суспензије (14–20 и 3–8 пута већа за С. елонгатус ЦЦАП 1479/1А и ПЦЦ 7942, респективно).Раније смо користили модел преноса масе ЦО2 да бисмо показали да је главни покретач високог уноса ЦО2 оштар градијент концентрације ЦО2 на површини биокомпозита31 и да перформансе биокомпозита могу бити ограничене отпорношћу на пренос масе.Овај проблем се може превазићи уграђивањем нетоксичних састојака који не стварају филм у латекс како би се повећала порозност и пропусност премаза26, али задржавање ћелија може бити угрожено јер ће ова стратегија неизбежно резултирати слабијим филмом20.Хемијски састав се може мењати током полимеризације ради повећања порозности, што је најбоља опција, посебно у смислу индустријске производње и скалабилности45.
Перформансе новог биокомпозита у поређењу са недавним студијама које су користиле биокомпозите из микроалги и цијанобактерија су показале предности у прилагођавању брзине пуњења ћелија (Табела 1)21,46 и са дужим временима анализе (84 дана наспрам 15 сати46 и 3 недеље21).
Волуметријски садржај угљених хидрата у ћелијама је у поређењу са другим студијама47,48,49,50 коришћењем цијанобактерија и користи се као потенцијални критеријум за хватање и коришћење/опоравак угљеника, као што је за БЕЦЦС процесе ферментације49,51 или за производњу биоразградивих биопластика52 .Као део образложења за ову студију, претпостављамо да пошумљавање, чак и разматрано у БЕЦЦС концепту негативних емисија, није лек за климатске промене и троши алармантан део светских обрадивих површина6.Као мисаони експеримент, процењено је да би између 640 и 950 ГтЦО2 требало да буде уклоњено из атмосфере до 2100. да би се глобални пораст температуре ограничио на 1,5°Ц53 (око 8 до 12 ГтЦО2 годишње).Постизање овог биокомпозита бољег учинка (574,08 ± 30,19 т ЦО2 т-1 биомасе годишње-1) захтевало би проширење запремине са 5,5 × 1010 на 8,2 × 1010 м3 (са упоредивом фотосинтетском ефикасношћу), која садржи од 1926 милијарди литара. полимер.Под претпоставком да 1 м3 биокомпозита заузима 1 м2 површине земљишта, површина потребна за апсорпцију циљаног годишњег укупног ЦО2 биће између 5,5 и 8,17 милиона хектара, што је еквивалентно 0,18-0,27% погодног за живот земљишта у земљи. тропима, и смањити површину земљишта.потреба за БЕЦЦС за 98-99%.Треба напоменути да је теоретски однос хватања заснован на апсорпцији ЦО2 забележеној при слабом осветљењу.Чим је биокомпозит изложен интензивнијем природном светлу, стопа усвајања ЦО2 се повећава, додатно смањујући потребе за земљиштем и нагињујући вагу даље ка концепту биокомпозита.Међутим, имплементација мора бити на екватору за константан интензитет и трајање позадинског осветљења.
Глобални ефекат ђубрења ЦО2, односно повећање продуктивности вегетације узроковано повећаном доступношћу ЦО2, смањен је на већини земљишних површина, вероватно због промена у кључним хранљивим материјама у земљишту (Н и П) и водним ресурсима7.То значи да земаљска фотосинтеза можда неће довести до повећања уноса ЦО2, упркос повишеним концентрацијама ЦО2 у ваздуху.У овом контексту, стратегије за ублажавање климатских промена засноване на земљи, као што је БЕЦЦС, имају још мање шансе да успеју.Ако се овај глобални феномен потврди, наш биокомпозит инспирисан лишајевима могао би да буде кључна предност, трансформишући једноћелијске водене фотосинтетске микробе у „агенсе на земљи“.Већина копнених биљака фиксира ЦО2 путем фотосинтезе Ц3, док су биљке Ц4 повољније за топлија, сува станишта и ефикасније су при вишим парцијалним притисцима ЦО254.Цијанобактерије нуде алтернативу која би могла надокнадити алармантна предвиђања смањене изложености угљен-диоксиду у Ц3 биљкама.Цијанобактерије су превазишле фотореспираторна ограничења тако што су развиле ефикасан механизам за обогаћивање угљеником у којем су виши парцијални притисци ЦО2 представљени и одржавани рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилазом/оксигеназом (РуБисЦо) унутар карбоксизома около.Ако се производња цијанобактеријских биокомпозита може повећати, ово би могло постати важно оружје за човечанство у борби против климатских промена.
Биокомпозити (имитирају лишајеве) нуде јасне предности у односу на конвенционалне суспензијске културе микроалги и цијанобактерија, обезбеђујући веће стопе узимања ЦО2, минимизирајући ризике од загађења и обећавајући конкурентно избегавање ЦО2.Трошкови значајно смањују коришћење земљишта, воде и хранљивих материја56.Ова студија показује изводљивост развоја и производње биокомпатибилног латекса високих перформанси који, када се комбинује са сунђером од луфе као супстратом кандидата, може да обезбеди ефикасно и ефективно упијање ЦО2 током месеци операције, док губитак ћелија сведе на минимум.Биокомпозити би теоретски могли да захвате приближно 570 т ЦО2 т-1 биомасе годишње и могу се показати важнијим од БЕЦЦС стратегија пошумљавања у нашем одговору на климатске промене.Уз даљу оптимизацију састава полимера, тестирање при већим интензитетима светлости и комбиновано са разрађеним метаболичким инжењерингом, оригинални биогеоинжењери природе могу поново да притекну у помоћ.
Акрилни латекс полимери су припремљени коришћењем мешавине стирен мономера, бутилакрилата и акрилне киселине, а пХ је подешен на 7 са 0,1 М натријум хидроксидом (табела 2).Стирен и бутил акрилат чине већину полимерних ланаца, док акрилна киселина помаже да се честице латекса држе у суспензији57.Структурна својства латекса одређена су температуром стакластог прелаза (Тг), која се контролише променом односа стирена и бутил акрилата, који обезбеђује „тврда“, односно „мека“ својства58.Типичан акрилни латекс полимер је 50:50 стирен:бутил акрилат 30, тако да је у овој студији латекс са овим односом назван „нормалним“ латексом, а латекс са већим садржајем стирена је назван латексом са нижим садржајем стирена. .називају „меки” као „тврди”.
Примарна емулзија је припремљена коришћењем дестиловане воде (174 г), натријум бикарбоната (0,5 г) и Рходапек Аб/20 сурфактанта (30,92 г) (Солваи) да се стабилизује 30 капљица мономера.Користећи стаклени шприц (Сциенце Гласс Енгинееринг) са шприц пумпом, секундарни аликвот који садржи стирен, бутилакрилат и акрилну киселину наведен у Табели 2 додаван је у капима брзином од 100 мл х-1 примарној емулзији током 4 сата (Цоле -Палмер, Моунт Вернон, Илиноис).Припремити раствор иницијатора полимеризације 59 користећи дХО и амонијум персулфат (100 мл, 3% в/в).
Промешати раствор који садржи дХО (206 г), натријум бикарбонат (1 г) и Рходапек Аб/20 (4,42 г) помоћу горње мешалице (Хеидолпх Хеи-ТОРКУЕ вредност 100) са пропелером од нерђајућег челика и загрејати на 82°Ц у Посуда са воденим омотом у ВВР Сциентифиц 1137П загрејаном воденом купатилу.Раствор смањене тежине мономера (28,21 г) и иницијатора (20,60 г) је додат у капима у посуду са омотачем и мешан 20 минута.Снажно помешајте преостале растворе мономера (150 мл х-1) и иницијатора (27 мл х-1) да бисте одржали честице у суспензији док се не додају у водени омотач током 5 х користећи шприцеве од 10 мл и 100 мл у контејнеру .комплетиран са шприц пумпом.Брзина мешалице је повећана због повећања запремине суспензије да би се обезбедило задржавање суспензије.После додавања иницијатора и емулзије, реакциона температура је подигнута на 85°Ц, добро мешана на 450 рпм током 30 минута, а затим охлађена на 65°Ц.После хлађења, у латекс су додата два раствора за померање: терц-бутил хидропероксид (т-БХП) (70% у води) (5 г, 14% по тежини) и изоаскорбинска киселина (5 г, 10% по тежини)..Додајте т-БХП кап по кап и оставите 20 минута.Затим је додата ериторбинска киселина брзином од 4 мл/х из шприца од 10 мл помоћу пумпе за шприц.Раствор латекса је затим охлађен до собне температуре и подешен на пХ 7 са 0,1 М натријум хидроксидом.
2,2,4-Триметил-1,3-пентандиол моноизобутират (Теканол) – биоразградиви коалесцент ниске токсичности за латекс боје 37,60 – додат је шприцем и пумпом у три запремине (0, 4, 12% в/в) као коалесцентно средство за мешавину латекса да би се олакшало стварање филма током сушења37.Проценат чврсте материје латекса је одређен стављањем 100 µл сваког полимера у претходно измерене поклопце од алуминијумске фолије и сушењем у пећници на 100°Ц током 24 сата.
За пренос светлости, свака мешавина латекса је нанета на микроскопско стакло коришћењем коцке од нерђајућег челика која је калибрисана за производњу филмова од 100 µм и сушена на 20°Ц током 48 сати.Трансмисија светлости (фокусирана на фотосинтетички активно зрачење, λ 400–700 нм) је мерена на спектрорадиометру ИЛТ950 СпецтриЛигхт са сензором на удаљености од 35 цм од флуоресцентне лампе од 30 В (Силваниа Луклине Плус, н = 6) – где је светлост извор су биле цијанобактерије и организми Композитни материјали су очувани.СпецтрИЛигхт ИИИ верзија 3.5 софтвера је коришћена за снимање осветљења и преноса у опсегу λ 400–700 нм61.Сви узорци су постављени на врх сензора, а необложени стаклени предмети су коришћени као контроле.
Узорци латекса су додати у силиконску посуду за печење и остављени да се осуше 24 сата пре него што су тестирани на тврдоћу.Ставите осушени узорак латекса на челични поклопац под микроскопом к10.Након фокусирања, узорци су процењени на Буехлер Мицромет ИИ микротврдоћи.Узорак је подвргнут сили од 100 до 200 грама, а време пуњења је подешено на 7 секунди да би се створила дијамантска удубљења у узорку.Отисак је анализиран коришћењем микроскопског објектива Брукер Алицона × 10 са додатним софтвером за мерење облика.За израчунавање тврдоће сваког латекса коришћена је формула Викерсове тврдоће (једначина 1), где је ХВ Викерсов број, Ф примењена сила, а д је просек дијагонала удубљења израчунатих из висине и ширине латекса.вредност увлаке.„Меки” латекс се не може мерити због адхезије и растезања током теста удубљења.
Да би се одредила температура преласка у стакло (Тг) композиције латекса, узорци полимера су стављени у посуде од силика гела, сушени 24 сата, измерени на 0,005 г и стављени у посуде за узорке.Посуда је затворена и стављена у колориметар за диференцијално скенирање (ПеркинЕлмер ДСЦ 8500, Интерцоолер ИИ, софтвер за анализу података Пирис)62.Метода топлотног тока се користи за постављање референтних чаша и чаша за узорке у исту пећницу са уграђеном температурном сондом за мерење температуре.Укупно су коришћене две рампе да би се створила доследна кривина.Метода узорка је више пута подизана са -20°Ц на 180°Ц брзином од 20°Ц у минути.Свака почетна и крајња тачка се чувају 1 минут да би се урачунало кашњење температуре.
Да би се проценила способност биокомпозита да апсорбује ЦО2, узорци су припремљени и тестирани на исти начин као у нашој претходној студији31.Осушена и аутоклавирана крпа за прање исечена је на траке приближно 1×1×5 цм и измерена.Нанети 600 µл два најефикаснија биооблога сваког соја цијанобактерија на један крај сваке траке луфе, покривајући приближно 1 × 1 × 3 цм, и сушити у мраку на 20 ° Ц током 24 сата.Због макропорозне структуре луфе, део формуле је изгубљен, тако да ефикасност пуњења ћелија није била 100%.Да би се превазишао овај проблем, одређена је тежина сувог препарата на луфи и нормализована на референтни суви препарат.Абиотичке контроле које се састоје од луфе, латекса и стерилног хранљивог медијума припремљене су на сличан начин.
Да бисте извршили полусеријски тест упијања ЦО2, ставите биокомпозит (н = 3) у стаклену епрувету од 50 мл тако да један крај биокомпозита (без биооблога) буде у контакту са 5 мл медијума за раст, омогућавајући хранљивој материји да транспортовати капиларним деловањем..Боца је затворена чепом од бутил гуме пречника 20 мм и пресвучена сребрнастим алуминијумским поклопцем.Када се затвори, убризгајте 45 мл 5% ЦО2/ваздух стерилном иглом причвршћеном на гасно непропусни шприц.Густина ћелија контролне суспензије (н = 3) била је еквивалентна оптерећењу ћелија биокомпозита у хранљивом медијуму.Тестови су спроведени на 18 ± 2 °Ц са фотопериодом од 16:8 и фотопериодом од 30,5 µмол м-2 с-1.Простор у глави је уклањан свака два дана гасоотпорним шприцем и анализиран ЦО2 мерачем са инфрацрвеном апсорпцијом ГЕОТецх Г100 да би се одредио проценат апсорбованог ЦО2.Додајте једнаку запремину гасне мешавине ЦО2.
% ЦО2 Фик се израчунава на следећи начин: % ЦО2 Фик = 5% (в/в) – напишите %ЦО2 (једначина 2) где је П = притисак, В = запремина, Т = температура и Р = идеална гасна константа.
Пријављене стопе узимања ЦО2 за контролне суспензије цијанобактерија и биокомпозита су нормализоване на небиолошке контроле.Функционална јединица г биомасе је количина суве биомасе имобилисана на крпи за прање.Одређује се вагањем узорака луфе пре и после фиксације ћелије.Обрачунавање масе оптерећења ћелије (еквивалент биомасе) појединачним вагањем препарата пре и после сушења и израчунавањем густине ћелијског препарата (једначина 3).Претпоставља се да су ћелијски препарати хомогени током фиксације.
За статистичку анализу коришћени су Минитаб 18 и Мицрософт Екцел са додатком РеалСтатистицс.Нормалност је тестирана помоћу Андерсон-Дарлинг теста, а једнакост варијанси је тестирана помоћу Левеновог теста.Подаци који задовољавају ове претпоставке анализирани су коришћењем двосмерне анализе варијансе (АНОВА) са Тукеијевим тестом као пост хоц анализом.Двосмерни подаци који нису испунили претпоставке нормалности и једнаке варијансе анализирани су коришћењем Схирер-Раи-Хара теста, а затим Манн-Вхитнеи У-теста да би се одредила значајност између третмана.Генерализовани линеарни мешовити (ГЛМ) модели су коришћени за ненормалне податке са три фактора, где су подаци трансформисани коришћењем Џонсонове трансформације63.Корелације тренутака Пеарсон производа су изведене да би се проценио однос између концентрације тексанола, температуре стакластог прелаза и података о токсичности и адхезији латекса.
Време поста: Јан-05-2023