Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно.Используйте кнопки «Предыдущий» и «Далее» для перемещения по трем слайдам одновременно или используйте кнопки ползунка в конце для перемещения по трем слайдам одновременно.
Улавливание и хранение углерода имеет важное значение для достижения целей Парижского соглашения.Фотосинтез – это природная технология улавливания углерода.Черпая вдохновение в лишайниках, мы разработали трехмерный фотосинтетический биокомпозит цианобактерий (то есть имитирующий лишайник), используя акриловый латексный полимер, нанесенный на губку из люфы.Скорость поглощения СО2 биокомпозитом составила 1,57 ± 0,08 г СО2 г-1 биомассы в сутки.Скорость поглощения основана на сухой биомассе в начале эксперимента и включает CO2, использованный для выращивания новой биомассы, а также CO2, содержащийся в запасных соединениях, таких как углеводы.Эти темпы поглощения были в 14-20 раз выше, чем меры по контролю за навозом, и потенциально могли быть увеличены до улавливания 570 т CO2 т-1 биомассы в год-1, что эквивалентно 5,5-8,17 × 106 га землепользования, удаляя 8-12 ГтCO2. CO2 в год.Напротив, лесная биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода занимает 0,4–1,2 × 109 га.Биокомпозит сохранял работоспособность в течение 12 недель без дополнительных питательных веществ и воды, после чего эксперимент был прекращен.В рамках многогранной технологической позиции человечества по борьбе с изменением климата спроектированные и оптимизированные цианобактериальные биокомпозиты имеют потенциал для устойчивого и масштабируемого применения для увеличения удаления CO2 при одновременном сокращении потерь воды, питательных веществ и землепользования.
Изменение климата представляет собой реальную угрозу глобальному биоразнообразию, стабильности экосистем и людям.Чтобы смягчить его наихудшие последствия, необходимы скоординированные и крупномасштабные программы обезуглероживания и, конечно же, некоторая форма прямого удаления парниковых газов из атмосферы.Несмотря на положительную декарбонизацию производства электроэнергии2,3, в настоящее время не существует экономически устойчивых технологических решений по сокращению выбросов углекислого газа (CO2)4 в атмосферу, хотя улавливание дымовых газов прогрессирует5.Вместо масштабируемых и практичных инженерных решений людям следует обратиться к инженерам-естественникам для улавливания углерода – фотосинтетическим организмам (фототрофным организмам).Фотосинтез — это природная технология связывания углерода, но его способность обращать вспять антропогенное обогащение углеродом в значимых временных масштабах сомнительна, ферменты неэффективны, а его способность развертываться в соответствующих масштабах сомнительна.Потенциальным путем для фототрофии является облесение, при котором деревья вырубаются для получения биоэнергии с помощью улавливания и хранения углерода (BECCS) в качестве технологии отрицательных выбросов, которая может помочь сократить чистые выбросы CO21.Однако для достижения целевого показателя Парижского соглашения по температуре в 1,5°C с использованием BECCS в качестве основного метода потребуется от 0,4 до 1,2 × 109 га, что эквивалентно 25–75% нынешних мировых пахотных земель6.Кроме того, неопределенность, связанная с глобальными последствиями внесения CO2, ставит под сомнение общую потенциальную эффективность лесных плантаций7.Если мы хотим достичь целевых показателей температуры, установленных Парижским соглашением, ежегодно из атмосферы необходимо удалять 100 секунд ГтCO2 парниковых газов (GGR).Департамент исследований и инноваций Великобритании недавно объявил о финансировании пяти проектов GGR8, включая управление торфяниками, усиление выветривания горных пород, посадку деревьев, биоуголь и многолетние культуры для поддержки процесса BECCS.Затраты на удаление из атмосферы более 130 МтСО2 в год составляют 10-100 МтСО2 в год, 0,2-8,1 МтСО2 в год на восстановление торфяников, 52-480 МтСО2 в год и 12-27 МтСО2 в год на выветривание горных пород. , 0,4-30 долларов США/год.тCO2, 3,6 млн.тCO2/год, увеличение площади лесов на 1%, 0,4-30 долл. США/тCO2, 6-41 млн тCO2/год, биоуголь, 140-270 долл. США/тCO2, 20–70 млн т CO2 в год для многолетних культур с использованием БЭККС9.
Сочетание этих подходов потенциально могло бы достичь цели в 130 млн тонн CO2 в год, но затраты на выветривание горных пород и BECCS высоки, а биоуголь, хотя и относительно дешевый и не связан с землепользованием, требует сырья для процесса производства биоугля.предлагает эту разработку и ряд возможностей для внедрения других технологий GGR.
Вместо того, чтобы искать решения на суше, ищите воду, особенно одноклеточные фототрофы, такие как микроводоросли и цианобактерии10.Водоросли (включая цианобактерии) улавливают примерно 50% мирового углекислого газа, хотя на их долю приходится лишь 1% мировой биомассы11.Цианобактерии являются первоначальными биогеоинженерами природы, закладывающими основу дыхательного метаболизма и эволюции многоклеточной жизни посредством кислородного фотосинтеза12.Идея использования цианобактерий для улавливания углерода не нова, но инновационные методы физического размещения открывают перед этими древними организмами новые горизонты.
Открытые пруды и фотобиореакторы являются активами по умолчанию при использовании микроводорослей и цианобактерий в промышленных целях.В этих культуральных системах используется суспензионная культура, в которой клетки свободно плавают в питательной среде14;однако пруды и фотобиореакторы имеют множество недостатков, таких как плохой массоперенос CO2, интенсивное использование земли и воды, подверженность биообрастанию, а также высокие затраты на строительство и эксплуатацию15,16.Биопленочные биореакторы, в которых не используются суспензионные культуры, более экономичны с точки зрения воды и пространства, но подвержены риску повреждения в результате высыхания, склонны к отслоению биопленки (и, следовательно, потере активной биомассы) и в равной степени склонны к биообрастанию17.
Необходимы новые подходы для увеличения скорости поглощения CO2 и решения проблем, ограничивающих возможности использования шламовых и биопленочных реакторов.Одним из таких подходов являются фотосинтетические биокомпозиты, вдохновленные лишайниками.Лишайники представляют собой комплекс грибов и фотобионтов (микроводорослей и/или цианобактерий), занимающий примерно 12% площади суши Земли18.Грибы обеспечивают физическую поддержку, защиту и закрепление фотобиотического субстрата, который, в свою очередь, обеспечивает грибы углеродом (в виде избыточных продуктов фотосинтеза).Предлагаемый биокомпозит представляет собой «миметик лишайника», в котором концентрированная популяция цианобактерий иммобилизована в виде тонкого биопокрытия на подложке-носителе.Помимо клеток биопокрытие содержит полимерную матрицу, способную заменить гриб.Полимерные эмульсии на водной основе или «латексы» являются предпочтительными, поскольку они биосовместимы, долговечны, недороги, просты в обращении и коммерчески доступны19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
На фиксацию клеток латексными полимерами большое влияние оказывают состав латекса и процесс пленкообразования.Эмульсионная полимеризация — гетерогенный процесс, используемый для производства синтетического каучука, клеевых покрытий, герметиков, добавок к бетону, бумажных и текстильных покрытий, а также латексных красок27.Он имеет ряд преимуществ перед другими методами полимеризации, таких как высокая скорость реакции и эффективность конверсии мономера, а также простота контроля продукта27,28.Выбор мономеров зависит от желаемых свойств получаемой полимерной пленки, а для смешанных мономерных систем (т.е. сополимеризации) свойства полимера можно изменять путем подбора различных соотношений мономеров, образующих получаемый полимерный материал.Бутилакрилат и стирол являются одними из наиболее распространенных мономеров акрилового латекса и используются здесь.Кроме того, для содействия образованию однородной пленки часто используются коалесцирующие агенты (например, техсанол), при этом они могут изменять свойства полимерного латекса, создавая прочное и «сплошное» (коалесцирующее) покрытие.В нашем первоначальном экспериментальном исследовании 3D-биокомпозит с большой площадью поверхности и высокой пористостью был изготовлен с использованием коммерческой латексной краски, нанесенной на губку из люфы.После длительных и непрерывных манипуляций (восемь недель) биокомпозит показал ограниченную способность удерживать цианобактерии на каркасе из люфы, поскольку рост клеток ослаблял структурную целостность латекса.В текущем исследовании мы стремились разработать серию акриловых латексных полимеров известного химического состава для непрерывного использования в приложениях улавливания углерода без ущерба для деградации полимера.При этом мы продемонстрировали способность создавать лишайноподобные полимерные матричные элементы, которые обеспечивают улучшенные биологические характеристики и значительно повышенную механическую эластичность по сравнению с проверенными биокомпозитами.Дальнейшая оптимизация ускорит внедрение биокомпозитов для улавливания углерода, особенно в сочетании с цианобактериями, метаболически модифицированными для усиления секвестрации CO2.
Девять латексов с тремя полимерными составами (H = «твердый», N = «нормальный», S = «мягкий») и тремя типами техсанола (0, 4, 12% об./об.) были протестированы на токсичность и корреляцию напряжений.Клей.из двух цианобактерий.Тип латекса существенно влиял на S. elongatus PCC 7942 (тест Ширера-Рэя-Хара, латекс: DF=2, H=23,157, P=<0,001) и CCAP 1479/1A (двусторонний дисперсионный анализ, латекс: DF=2, F). = 103,93, P = < 0,001) (рис. 1а).Концентрация теханола существенно не влияла на рост S. elongatus PCC 7942, только N-латекс был нетоксичен (рис. 1а), а 0 N и 4 N поддерживали рост на 26% и 35% соответственно (Mann- Whitney U, 0 Н против 4 Н: W = 13,50, Р = 0,245, 0 Н против контроля: W = 25,0, Р = 0,061, 4 Н против контроля: W = 25,0, Р = 0,061) и 12 Н сохраняли сопоставимый рост к биологическому контролю (Университет Манна-Уитни, 12 N против контроля: W = 17,0, P = 0,885).Для S. elongatus CCAP 1479/1A важными факторами были как смесь латексов, так и концентрация техсанола, и между ними наблюдалось значительное взаимодействие (двусторонний дисперсионный анализ, латекс: DF=2, F=103,93, P=<0,001, тексанол : DF=2, F=5,96, P=0,01, латекс*тексанол: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N и все «мягкие» латексы способствовали росту (рис. 1а).Существует тенденция к улучшению роста при уменьшении состава стирола.
Тестирование токсичности и адгезии цианобактерий (Synechococcus elongatus PCC 7942 и CCAP 1479/1A) к латексным составам, взаимосвязь с температурой стеклования (Tg) и матрица принятия решений на основе данных о токсичности и адгезии.( а ) Тестирование токсичности проводили с использованием отдельных графиков процентного роста цианобактерий, нормализованных по контрольным суспензионным культурам.Варианты лечения, отмеченные *, значительно отличаются от контроля.( б ) Данные о росте цианобактерий по сравнению с латексом Tg (среднее ± стандартное отклонение; n = 3).(c) Совокупное количество цианобактерий, высвободившихся в результате теста на адгезию биокомпозита.( d ) Данные адгезии в зависимости от Tg латекса (среднее значение ± StDev; n = 3).e Матрица решений, основанная на данных о токсичности и адгезии.Соотношение стирола к бутилакрилату составляет 1:3 для «жесткого» (H) латекса, 1:1 для «нормального» (N) и 3:1 для «мягкого» (S).Предыдущие цифры в коде латекса соответствуют содержанию техсанола.
В большинстве случаев жизнеспособность клеток снижалась с увеличением концентрации техсанола, но значимой корреляции не наблюдалось ни для одного из штаммов (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, Р = 0,527).На рис.1б показана связь между ростом клеток и температурой стеклования (Tg).Существует сильная отрицательная корреляция между концентрацией техсанола и значениями Tg (H-латекс: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-латекс: DF=7, r=-0,964, P=<0,001). ;S-латекс: DF=7, r=-0,946, P=<0,001).Данные показали, что оптимальная Tg для роста S. elongatus PCC 7942 составляла около 17 ° C (рис. 1b), тогда как S. elongatus CCAP 1479/1A предпочитала температуру ниже 0 ° C (рис. 1b).Только S. elongatus CCAP 1479/1A имела сильную отрицательную корреляцию между Tg и данными о токсичности (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Все латексы обладали хорошей адгезионной способностью, и ни один из них не высвобождал более 1% клеток через 72 часа (рис. 1в).Не было выявлено существенной разницы между латексами двух штаммов S. elongatus (PCC 7942: тест Шайрера-Рэя-Хара, латекс*тексанол, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer-Hara). Рэй тест).– Заячий тест, латекс*тексанол, DF=4, H=3,277, P=0,513).По мере увеличения концентрации тексанола высвобождается больше клеток (рис. 1c).по сравнению с S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (рис. 1d).Кроме того, не было статистической взаимосвязи между Tg и клеточной адгезией двух штаммов (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Для обоих штаммов «твердые» латексные полимеры оказались неэффективны.Напротив, 4N и 12N показали лучшие результаты против S. elongatus PCC 7942, тогда как 4S и 12S показали лучшие результаты против CCAP 1479/1A (рис. 1e), хотя явно есть возможности для дальнейшей оптимизации полимерной матрицы.Эти полимеры использовались в полупериодических испытаниях на чистое поглощение CO2.
Фотофизиологию контролировали в течение 7 дней с использованием клеток, суспендированных в водной латексной композиции.В целом, как кажущаяся скорость фотосинтеза (PS), так и максимальный квантовый выход PSII (Fv/Fm) уменьшаются со временем, но это снижение неравномерно, и некоторые наборы данных PS показывают двухфазный ответ, что предполагает частичный ответ, хотя восстановление в реальном времени более короткая активность ФС (рис. 2а и 3б).Двухфазный ответ Fv/Fm был менее выражен (рис. 2b и 3b).
(а) Кажущаяся скорость фотосинтеза (PS) и (б) максимальный квантовый выход PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus PCC 7942 в ответ на латексные составы по сравнению с контрольными суспензионными культурами.Соотношение стирола к бутилакрилату составляет 1:3 для «жесткого» (H) латекса, 1:1 для «нормального» (N) и 3:1 для «мягкого» (S).Предыдущие цифры в коде латекса соответствуют содержанию техсанола.(среднее значение ± стандартное отклонение; n = 3).
(а) Кажущаяся скорость фотосинтеза (PS) и (б) максимальный квантовый выход PSII (Fv/Fm) Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A в ответ на латексные составы по сравнению с контрольными суспензионными культурами.Соотношение стирола к бутилакрилату составляет 1:3 для «жесткого» (H) латекса, 1:1 для «нормального» (N) и 3:1 для «мягкого» (S).Предыдущие цифры в коде латекса соответствуют содержанию техсанола.(среднее значение ± стандартное отклонение; n = 3).
Для S. elongatus PCC 7942 состав латекса и концентрация техсанола не влияли на PS с течением времени (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), хотя состав был важным фактором (GLM)., латекс*время, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (рис. 2а).Не наблюдалось существенного влияния концентрации тексанола с течением времени (GLM, тексанол*время, DF=14, F=1,63, P=0,078).Наблюдалось значительное взаимодействие, влияющее на Fv/Fm (GLM, латекс*тексанол*время, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Взаимодействие между составом латекса и концентрацией тексанола оказывало значительное влияние на Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Каждый параметр также влияет на Fv/Fm с течением времени (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 и Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=<0,001).Латекс 12Н сохранил самые низкие средние значения PS и Fv/Fm (рис. 2б), что свидетельствует о большей токсичности этого полимера.
PS S. elongatus CCAP 1479/1A значительно отличался (GLM, латекс * тексанол * время, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001) с составом латекса, а не концентрацией техсанола (GLM, латекс*время, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, тексанол*время, DF=14, F=1,26, P=0,239).«Мягкие» полимеры 0S и 4S сохраняли немного более высокие уровни PS, чем контрольные суспензии (Mann-Whitney U, 0S по сравнению с контролем, W = 686,0, P = 0,044, 4S по сравнению с контролем, W = 713, P = 0,01) и сохраняли улучшенный Fv./Fm (рис. 3а) демонстрирует более эффективный транспорт в Фотосистему II.Для значений Fv/Fm клеток CCAP 1479/1A наблюдалась значительная разница в латексе с течением времени (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (рис. 3b).).
На рис.4 показаны средние значения PS и Fv/Fm за 7-дневный период в зависимости от роста клеток для каждого штамма.S. elongatus PCC 7942 не имел четкой закономерности (рис. 4а и б), однако у CCAP 1479/1A наблюдалась параболическая связь между значениями PS (рис. 4в) и Fv/Fm (рис. 4г) как Соотношения стирола и бутилакрилата растут с изменением.
Связь между ростом и фотофизиологией Synechococcus longum на препаратах латекса.(a) Данные токсичности представлены в зависимости от кажущейся скорости фотосинтеза (PS), (b) максимальный квантовый выход PSII (Fv/Fm) PCC 7942. c Данные токсичности представлены в зависимости от PS и d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Соотношение стирола к бутилакрилату составляет 1:3 для «жесткого» (H) латекса, 1:1 для «нормального» (N) и 3:1 для «мягкого» (S).Предыдущие цифры в коде латекса соответствуют содержанию техсанола.(среднее значение ± стандартное отклонение; n = 3).
Биокомпозит PCC 7942 оказывал ограниченное влияние на удержание клеток со значительным выщелачиванием клеток в течение первых четырех недель (рис. 5).После начальной фазы поглощения CO2 клетки, фиксированные латексом 12 N, начали выделять CO2, и эта закономерность сохранялась между 4 и 14 днями (рис. 5б).Эти данные согласуются с наблюдениями за изменением цвета пигментов.Чистое поглощение CO2 началось снова с 18-го дня. Несмотря на высвобождение клеток (рис. 5а), биокомпозит PCC 7942 12 N по-прежнему накапливал больше CO2, чем контрольная суспензия, в течение 28 дней, хотя и незначительно (U-критерий Манна-Уитни, W = 2275,5; Р = 0,066).Скорость поглощения СО2 латексами 12 Н и 4 Н составляет 0,51 ± 0,34 и 1,18 ± 0,29 г СО2 г-1 биомассы в сутки.Имелась статистически значимая разница между лечением и временными уровнями (тест Чирера-Рэя-Хейра, лечение: DF=2, H=70,62, P=<0,001, время: DF=13, H=23,63, P=0,034), но не было.существовала значительная взаимосвязь между лечением и временем (тест Чейрера-Рэя-Хара, время*лечение: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Половинные испытания на поглощение CO2 биокомпозитами Synechococcus elongatus PCC 7942 с использованием латекса 4N и 12N.(а) Изображения показывают высвобождение клеток и изменение цвета пигмента, а также изображения биокомпозита, полученные с помощью СЭМ, до и после тестирования.Белыми пунктирными линиями обозначены места отложения клеток на биокомпозите.(b) Совокупное чистое поглощение CO2 за четырехнедельный период.«Нормальный» (N) латекс имеет соотношение стирола к бутилакрилату 1:1.Предыдущие цифры в коде латекса соответствуют содержанию техсанола.(среднее значение ± стандартное отклонение; n = 3).
Удержание клеток было значительно улучшено для штамма CCAP 1479/1A с 4S и 12S, хотя пигмент со временем медленно менял цвет (рис. 6а).Биокомпозит CCAP 1479/1А поглощает CO2 в течение полных 84 дней (12 недель) без дополнительных пищевых добавок.СЭМ-анализ (рис. 6а) подтвердил визуальное наблюдение отслоения мелких клеток.Первоначально клетки были заключены в латексное покрытие, которое сохраняло свою целостность, несмотря на рост клеток.Скорость поглощения CO2 была значительно выше, чем в контрольной группе (тест Шайрера-Рэя-Хара, лечение: DF=2; H=240,59; P=<0,001, время: DF=42; H=112; P=<0,001) ( рис. 6б).Биокомпозит 12S достиг самого высокого поглощения CO2 (1,57 ± 0,08 г CO2 г-1 биомассы в сутки), тогда как 4S-латекс достигал 1,13 ± 0,41 г CO2 г-1 биомассы в сутки, но они существенно не различались (Mann-Whitney U. .тест, W = 1507,50; P = 0,07) и отсутствие существенного взаимодействия между лечением и временем (тест Ширера-Рея-Хара, время * лечение: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Тестирование поглощения CO2 на половине партии с использованием биокомпозитов Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A с латексом 4N и 12N.(а) Изображения показывают высвобождение клеток и изменение цвета пигмента, а также изображения биокомпозита, полученные с помощью СЭМ, до и после тестирования.Белыми пунктирными линиями обозначены места отложения клеток на биокомпозите.(b) Совокупное чистое поглощение CO2 за двенадцатинедельный период.«Мягкий» (S) латекс имеет соотношение стирола к бутилакрилату 1:1.Предыдущие цифры в коде латекса соответствуют содержанию техсанола.(среднее значение ± стандартное отклонение; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (тест Ширера-Рэя-Хара, время*обработка: DF=4, H=3,243, P=0,518) или биокомпозит S. elongatus CCAP 1479/1A (два-ANOVA, время*обработка: DF=8) , F = 1,79, P = 0,119) (рис. S4).Биокомпозит PCC 7942 имел самое высокое содержание углеводов на 2-й неделе (4 N = 59,4 ± 22,5 мас. %, 12 N = 67,9 ± 3,3 мас. %), тогда как контрольная суспензия имела самое высокое содержание углеводов на 4-й неделе при (контроль = 59,6 ± 2,84 %). ж/б).Общее содержание углеводов в биокомпозите CCAP 1479/1A было сопоставимо с контрольной суспензией, за исключением начала исследования, с некоторыми изменениями в латексе 12S на 4-й неделе. Самые высокие значения для биокомпозита составили 51,9 ± 9,6 мас.%. для 4S и 77,1 ± 17,0 мас.% для 12S.
Мы намеревались продемонстрировать возможности дизайна для повышения структурной целостности тонкопленочных латексных полимерных покрытий как важного компонента концепции биокомпозита, имитирующего лишайник, без ущерба для биосовместимости или производительности.Действительно, если структурные проблемы, связанные с ростом клеток, будут преодолены, мы ожидаем значительного улучшения производительности по сравнению с нашими экспериментальными биокомпозитами, которые уже сравнимы с другими системами улавливания углерода цианобактериями и микроводорослями.
Покрытия должны быть нетоксичными, прочными, поддерживать долговременную адгезию клеток и быть пористыми, чтобы способствовать эффективному массопереносу CO2 и дегазации O2.Акриловые полимеры латексного типа просты в приготовлении и широко используются в лакокрасочной, текстильной и клеевой промышленности30.Мы объединили цианобактерии с эмульсией акрилового латексного полимера на водной основе, полимеризованной с определенным соотношением частиц стирола/бутилакрилата и различными концентрациями техсанола.Стирол и бутилакрилат были выбраны для того, чтобы иметь возможность контролировать физические свойства, особенно эластичность и эффективность коалесценции покрытия (критически важно для прочного и высокоадгезионного покрытия), что позволяет синтезировать «твердые» и «мягкие» агрегаты частиц.Данные о токсичности свидетельствуют о том, что «твердый» латекс с высоким содержанием стирола не способствует выживанию цианобактерий.В отличие от бутилакрилата, стирол считается токсичным для водорослей32,33.Штаммы цианобактерий совершенно по-разному реагировали на латекс, и оптимальная температура стеклования (Tg) была определена для S. elongatus PCC 7942, тогда как S. elongatus CCAP 1479/1A показала отрицательную линейную связь с Tg.
Температура сушки влияет на способность образовывать сплошную однородную латексную пленку.Если температура сушки ниже минимальной температуры формирования пленки (MFFT), частицы полимерного латекса не будут полностью слипаться, что приведет к адгезии только на границе раздела частиц.Полученные пленки имеют плохую адгезию и механическую прочность и могут даже иметь форму порошка29.MFFT тесно связан с Tg, который можно контролировать с помощью состава мономеров и добавления коалесцентов, таких как техсанол.Tg определяет многие физические свойства получаемого покрытия, которое может находиться в эластичном или стеклообразном состоянии34.Согласно уравнению Флори-Фокса35, Tg зависит от типа мономера и относительного процентного состава.Добавление коалесцента может снизить MFFT за счет периодического подавления Tg частиц латекса, что позволяет формировать пленку при более низких температурах, но при этом образует твердое и прочное покрытие, поскольку коалесцент медленно испаряется с течением времени или был экстрагирован 36 .
Увеличение концентрации тексанола способствует образованию пленки за счет размягчения частиц полимера (снижения Tg) за счет поглощения частицами при сушке, тем самым увеличивая прочность когезионной пленки и адгезию клеток.Поскольку биокомпозит высушивается при температуре окружающей среды (~ 18–20°C), Tg (от 30 до 55°C) «твердого» латекса выше, чем температура сушки, а это означает, что коалесценция частиц может быть неоптимальной, что приводит к Пленки B, которые остаются стекловидными, имеют плохие механические и адгезионные свойства, ограниченную эластичность и диффузионную способность30, что в конечном итоге приводит к большей потере клеток.Формирование пленки из «нормальных» и «мягких» полимеров происходит при температуре Tg полимерной пленки или ниже, а образование пленки улучшается за счет улучшенной коалесценции, что приводит к образованию непрерывных полимерных пленок с улучшенными механическими, когезионными и адгезионными свойствами.Полученная пленка останется эластичной во время экспериментов по улавливанию CO2, поскольку ее Tg будет близка («нормальная» смесь: от 12 до 20 °C) или намного ниже («мягкая» смесь: от -21 до -13 °C) к температуре окружающей среды 30 .«Твердый» латекс (3,4–2,9 кгс·мм–1) в три раза тверже «обычного» латекса (1,0–0,9 кгс·мм–1).Твердость «мягких» латексов невозможно измерить микротвердостью из-за их чрезмерной резиноподобности и липкости при комнатной температуре.Поверхностный заряд также может влиять на сродство адгезии, но для предоставления значимой информации необходимо больше данных.Однако все латексы эффективно удерживали клетки, высвобождая менее 1%.
Продуктивность фотосинтеза со временем снижается.Воздействие полистирола приводит к разрушению мембран и окислительному стрессу38,39,40,41.Значения Fv/Fm у S. elongatus CCAP 1479/1A, подвергнутого воздействию 0S и 4S, были почти в два раза выше по сравнению с суспензионным контролем, что хорошо согласуется со скоростью поглощения CO2 биокомпозита 4S, а также с более низкие средние значения PS.ценности.Более высокие значения Fv/Fm указывают на то, что транспорт электронов к PSII может доставлять больше фотонов42, что может привести к более высокой скорости фиксации CO2.Однако следует отметить, что фотофизиологические данные были получены на клетках, суспендированных в водных растворах латекса, и не обязательно могут быть напрямую сопоставимы со зрелыми биокомпозитами.
Если латекс создает барьер для света и/или газообмена, что приводит к ограничению света и CO2, это может вызвать клеточный стресс и снизить производительность, а если он влияет на высвобождение O2, то и на фотодыхание39.Оценивали светопропускание отвержденных покрытий: «жесткий» латекс показал небольшое снижение светопропускания между 440 и 480 нм (частично улучшенное за счет увеличения концентрации тексанола из-за улучшения коалесценции пленки), тогда как «мягкий» и «обычный» Латекс показал небольшое снижение светопропускания.не показывает заметных потерь потерь.Анализы, как и все инкубации, проводились при низкой интенсивности света (30,5 мкмоль м-2 с-1), поэтому любое фотосинтетически активное излучение полимерной матрицы будет компенсировано и даже может быть полезно для предотвращения фотоингибирования.при разрушительной интенсивности света.
Биокомпозит CCAP 1479/1А функционировал в течение 84 дней тестирования без оборота питательных веществ и значительной потери биомассы, что является ключевой целью исследования.Депигментация клеток может быть связана с процессом хлороза в ответ на азотное голодание для достижения длительного выживания (состояния покоя), что может помочь клеткам возобновить рост после достижения достаточного накопления азота.СЭМ-изображения подтвердили, что клетки оставались внутри покрытия, несмотря на деление клеток, демонстрируя эластичность «мягкого» латекса и, таким образом, демонстрируя явное преимущество над экспериментальной версией.«Мягкий» латекс содержит около 70% бутилакрилата (по массе), что значительно превышает заявленную концентрацию для гибкого покрытия после высыхания44.
Чистое поглощение CO2 было значительно выше, чем у контрольной суспензии (в 14–20 и 3–8 раз выше для S. elongatus CCAP 1479/1A и PCC 7942 соответственно).Ранее мы использовали модель массопереноса CO2, чтобы показать, что основным фактором высокого поглощения CO2 является резкий градиент концентрации CO2 на поверхности биокомпозита31 и что эффективность биокомпозита может быть ограничена сопротивлением массопереносу.Эту проблему можно решить путем включения в латекс нетоксичных, не образующих пленку ингредиентов для увеличения пористости и проницаемости покрытия26, но удержание клеток может быть поставлено под угрозу, поскольку такая стратегия неизбежно приведет к ухудшению пленки20.Химический состав можно изменить в ходе полимеризации для увеличения пористости, что является лучшим вариантом, особенно с точки зрения промышленного производства и масштабируемости45.
Эффективность нового биокомпозита по сравнению с недавними исследованиями с использованием биокомпозитов из микроводорослей и цианобактерий показала преимущества при регулировании скорости загрузки клеток (таблица 1)21,46 и при более длительном времени анализа (84 дня против 15 часов46 и 3 недель21).
Объемное содержание углеводов в клетках выгодно отличается от других исследований47,48,49,50 с использованием цианобактерий и используется в качестве потенциального критерия для приложений улавливания и использования/восстановления углерода, например, для процессов ферментации BECCS49,51 или для производства биоразлагаемых биопластики52 .В качестве обоснования этого исследования мы предполагаем, что облесение, даже рассматриваемое в концепции отрицательных выбросов BECCS, не является панацеей от изменения климата и потребляет тревожную долю пахотных земель в мире6.В качестве мысленного эксперимента было подсчитано, что к 2100 году из атмосферы необходимо будет удалить от 640 до 950 ГтCO2, чтобы ограничить повышение глобальной температуры до 1,5°C53 (около 8–12 ГтCO2 в год).Достижение этого с помощью более эффективного биокомпозита (574,08 ± 30,19 т CO2 т-1 биомассы в год-1) потребует увеличения объема с 5,5 × 1010 до 8,2 × 1010 м3 (с сопоставимой фотосинтетической эффективностью), содержащего от 196 до 2,92 миллиардов литров биомассы. полимер.Если предположить, что 1 м3 биокомпозитов занимает 1 м2 площади земли, то площадь, необходимая для поглощения целевого годового общего количества CO2, составит от 5,5 до 8,17 млн га, что эквивалентно 0,18-0,27% пригодных для жизни земель в тропики и уменьшают площадь суши.потребность в BECCS на 98-99%.Следует отметить, что теоретический коэффициент улавливания основан на поглощении CO2, зарегистрированном при слабом освещении.Как только биокомпозит подвергается более интенсивному естественному освещению, скорость поглощения CO2 увеличивается, что еще больше снижает потребность в земле и склоняет чашу весов в сторону концепции биокомпозита.Однако реализация должна находиться на экваторе для обеспечения постоянной интенсивности и продолжительности подсветки.
Глобальный эффект от внесения CO2-удобрений, то есть увеличение продуктивности растительности, вызванное увеличением доступности CO2, снизился на большинстве земельных участков, вероятно, из-за изменений в ключевых питательных веществах почвы (N и P) и водных ресурсах7.Это означает, что земной фотосинтез может не привести к увеличению поглощения CO2, несмотря на повышенную концентрацию CO2 в воздухе.В этом контексте наземные стратегии смягчения последствий изменения климата, такие как BECCS, имеют еще меньше шансов на успех.Если это глобальное явление подтвердится, наш биокомпозит на основе лишайников может стать ключевым активом, превращающим одноклеточные водные фотосинтезирующие микробы в «наземные агенты».Большинство наземных растений фиксируют CO2 посредством фотосинтеза C3, в то время как растения C4 более благоприятны для более теплых и засушливых мест обитания и более эффективны при более высоких парциальных давлениях CO254.Цианобактерии предлагают альтернативу, которая могла бы компенсировать тревожные прогнозы о снижении воздействия углекислого газа на растения C3.Цианобактерии преодолели фотодыхательные ограничения, разработав эффективный механизм обогащения углеродом, при котором более высокие парциальные давления CO2 создаются и поддерживаются рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазой/оксигеназой (RuBisCo) внутри карбоксисом вокруг.Если производство цианобактериальных биокомпозитов удастся увеличить, это может стать важным оружием человечества в борьбе с изменением климата.
Биокомпозиты (имитаторы лишайников) имеют явные преимущества перед обычными суспензионными культурами микроводорослей и цианобактерий, обеспечивая более высокие скорости поглощения CO2, минимизируя риски загрязнения и обещают конкурентоспособное избежание выбросов CO2.Затраты значительно сокращают использование земли, воды и питательных веществ56.Это исследование демонстрирует возможность разработки и производства высокоэффективного биосовместимого латекса, который в сочетании с губкой из люфы в качестве потенциального субстрата может обеспечить эффективное и действенное поглощение CO2 в течение нескольких месяцев операции, сводя при этом потерю клеток к минимуму.Биокомпозиты теоретически могут улавливать около 570 т CO2 т-1 биомассы в год и могут оказаться более важными, чем стратегии облесения BECCS, в нашей реакции на изменение климата.При дальнейшей оптимизации полимерного состава, тестировании при более высокой интенсивности света и в сочетании со сложной метаболической инженерией оригинальные биогеоинженеры природы могут снова прийти на помощь.
Акриловые латексные полимеры готовили с использованием смеси мономеров стирола, бутилакрилата и акриловой кислоты, pH доводили до 7 с помощью 0,1 М гидроксида натрия (таблица 2).Стирол и бутилакрилат составляют основную часть полимерных цепей, а акриловая кислота помогает удерживать частицы латекса во взвешенном состоянии57.Структурные свойства латекса определяются температурой стеклования (Tg), которая контролируется изменением соотношения стирола и бутилакрилата, что обеспечивает «твердые» и «мягкие» свойства соответственно58.Типичный полимер акрилового латекса представляет собой стирол:бутилакрилат 30 в соотношении 50:50, поэтому в этом исследовании латекс с таким соотношением назывался «нормальным» латексом, а латекс с более высоким содержанием стирола назывался латексом с более низким содержанием стирола. .называют «мягким» как «жестким».
Первичную эмульсию готовили с использованием дистиллированной воды (174 г), бикарбоната натрия (0,5 г) и поверхностно-активного вещества Rhodapex Ab/20 (30,92 г) (Solvay) для стабилизации 30 капель мономера.С помощью стеклянного шприца (Science Glass Engineering) со шприцевым насосом к первичной эмульсии в течение 4 часов по каплям добавляли вторичную аликвоту, содержащую стирол, бутилакрилат и акриловую кислоту, перечисленные в таблице 2, со скоростью 100 мл/ч (Cole -Палмер, Маунт-Вернон, Иллинойс).Приготовьте раствор инициатора полимеризации 59, используя dHO и персульфат аммония (100 мл, 3% мас.).
Перемешайте раствор, содержащий dHO (206 г), бикарбонат натрия (1 г) и Rhodapex Ab/20 (4,42 г), используя верхнеприводную мешалку (значение Heidolph Hei-TORQUE 100) с пропеллером из нержавеющей стали и нагрейте до 82°C в Сосуд с водяной рубашкой в водяной бане с подогревом VWR Scientific 1137P.В сосуд с рубашкой по каплям добавляли раствор мономера (28,21 г) и инициатора (20,60 г) уменьшенной массы и перемешивали в течение 20 минут.Энергично перемешайте оставшийся раствор мономера (150 мл ч-1) и инициатора (27 мл ч-1), чтобы частицы оставались во взвешенном состоянии до тех пор, пока они не будут добавлены в водяную рубашку в течение 5 часов, используя шприцы емкостью 10 мл и 100 мл соответственно в контейнере. .комплектуется шприцевым насосом.Скорость мешалки была увеличена за счет увеличения объема суспензии, чтобы обеспечить ее удержание.После добавления инициатора и эмульсии температуру реакции повышали до 85°С, хорошо перемешивали при 450 об/мин в течение 30 минут, затем охлаждали до 65°С.После охлаждения к латексу добавляли два вытесняющих раствора: трет-бутилгидропероксид (т-БГП) (70% в воде) (5 г, 14% по массе) и изоаскорбиновую кислоту (5 г, 10% по массе)..Добавьте t-BHP по капле и оставьте на 20 минут.Затем добавляли эриторбиновую кислоту со скоростью 4 мл/ч из шприца емкостью 10 мл с использованием шприцевого насоса.Затем раствор латекса охлаждали до комнатной температуры и доводили pH до 7 с помощью 0,1 М гидроксида натрия.
2,2,4-Триметил-1,3-пентандиол моноизобутират (Теханол) – малотоксичный биоразлагаемый коалесцент для латексных красок 37,60 – добавляли шприцем и насосом в трех объемах (0, 4, 12% об./об.) в качестве коалесцирующего агента для латексных смесей для облегчения образования пленки во время сушки37.Процент твердых веществ в латексе определяли путем помещения 100 мкл каждого полимера в предварительно взвешенные колпачки из алюминиевой фольги и сушки в печи при 100°C в течение 24 часов.
Для пропускания света каждую латексную смесь наносили на предметное стекло микроскопа с помощью капельного куба из нержавеющей стали, откалиброванного для получения пленок толщиной 100 мкм, и сушили при 20°C в течение 48 часов.Светопропускание (сфокусированное на фотосинтетически активное излучение, λ 400–700 нм) измеряли на спектрорадиометре ILT950 SpectriLight с датчиком на расстоянии 35 см от люминесцентной лампы мощностью 30 Вт (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – где свет источником послужили цианобактерии и организмы. Композиционные материалы сохранились.Программное обеспечение SpectrILight III версии 3.5 использовалось для регистрации освещенности и пропускания в диапазоне ? 400–700 нм61.Все образцы помещали поверх датчика, а в качестве контроля использовали предметные стекла без покрытия.
Образцы латекса помещали в силиконовую форму для выпечки и давали высохнуть в течение 24 часов, а затем проверяли на твердость.Поместите высушенный образец латекса на стальную крышку под микроскопом x10.После фокусировки образцы оценивали на микротвердомере Buehler Micromet II.Образец подвергался воздействию силы от 100 до 200 граммов, а время нагрузки было установлено равным 7 секундам для создания ромбовидной вмятины на образце.Отпечаток анализировали с использованием объектива микроскопа Bruker Alicona × 10 с дополнительным программным обеспечением для измерения формы.Формула твердости по Виккерсу (уравнение 1) использовалась для расчета твердости каждого латекса, где HV — число Виккерса, F — приложенная сила, а d — среднее значение диагоналей отпечатка, рассчитанное на основе высоты и ширины латекса.значение отступа.«Мягкий» латекс невозможно измерить из-за адгезии и растяжения во время испытания на вдавливание.
Для определения температуры стеклования (Tg) латексной композиции образцы полимера помещали в чашки с силикагелем, сушили в течение 24 часов, взвешивали до 0,005 г и помещали в чашки для образцов.Чашку закрыли крышкой и поместили в колориметр с дифференциальным сканированием (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, программное обеспечение для анализа данных Pyris)62.Метод теплового потока используется для размещения эталонных чашек и чашек для образцов в одной печи со встроенным температурным датчиком для измерения температуры.Всего было использовано два пандуса для создания последовательной кривой.Образец методом неоднократно повышали от -20°С до 180°С со скоростью 20°С в минуту.Каждая начальная и конечная точка сохраняется в течение 1 минуты, чтобы учесть температурную задержку.
Для оценки способности биокомпозита поглощать CO2 образцы были приготовлены и протестированы так же, как и в нашем предыдущем исследовании31.Высушенную и автоклавированную тряпку разрезали на полоски размером примерно 1×1×5 см и взвешивали.Нанесите по 600 мкл двух наиболее эффективных биопокрытий каждого штамма цианобактерий на один конец каждой полоски люфы, покрывая примерно 1 × 1 × 3 см, и высушите в темноте при температуре 20°C в течение 24 часов.Из-за макропористой структуры люфы часть формулы тратилась впустую, поэтому эффективность загрузки клеток не составляла 100%.Чтобы преодолеть эту проблему, определяли вес сухого препарата на люфе и нормализовали его по эталонному сухому препарату.Аналогичным образом готовили абиотический контроль, состоящий из люфы, латекса и стерильной питательной среды.
Чтобы провести тест на поглощение CO2 в половине партии, поместите биокомпозит (n = 3) в стеклянную пробирку емкостью 50 мл так, чтобы один конец биокомпозита (без биопокрытия) контактировал с 5 мл питательной среды, позволяя питательному веществу транспортироваться капиллярным путем..Флакон укупорен бутилкаучуковой пробкой диаметром 20 мм и обжат алюминиевой крышкой серебристого цвета.После герметизации введите 45 мл 5% CO2/воздуха с помощью стерильной иглы, прикрепленной к газонепроницаемому шприцу.Плотность клеток контрольной суспензии (n = 3) была эквивалентна клеточной нагрузке биокомпозита в питательной среде.Испытания проводились при температуре 18 ± 2 °С с фотопериодом 16:8 и фотопериодом 30,5 мкмоль м-2 с-1.Головное пространство удаляли каждые два дня с помощью газонепроницаемого шприца и анализировали с помощью измерителя CO2 с инфракрасным поглощением GEOTech G100 для определения процента поглощенного CO2.Добавьте равный объем газовой смеси CO2.
% CO2 Fix рассчитывается следующим образом: % CO2 Fix = 5% (об./об.) – запишите %CO2 (уравнение 2), где P = давление, V = объем, T = температура и R = постоянная идеального газа.
Сообщенные скорости поглощения CO2 для контрольных суспензий цианобактерий и биокомпозитов были нормализованы к небиологическим контролям.Функциональной единицей г биомассы является количество сухой биомассы, иммобилизованной на мочалке.Его определяют путем взвешивания образцов люфы до и после фиксации клеток.Учет массы клеточной нагрузки (эквивалент биомассы) путем индивидуального взвешивания препаратов до и после сушки и расчета плотности клеточного препарата (уравнение 3).Предполагается, что клеточные препараты во время фиксации являются однородными.
Для статистического анализа использовались Minitab 18 и Microsoft Excel с надстройкой RealStatistics.Нормальность проверяли с помощью теста Андерсона-Дарлинга, а равенство дисперсий проверяли с помощью теста Левена.Данные, удовлетворяющие этим предположениям, были проанализированы с использованием двустороннего дисперсионного анализа (ANOVA) с тестом Тьюки в качестве апостериорного анализа.Двусторонние данные, которые не соответствовали предположениям о нормальности и равной дисперсии, были проанализированы с использованием теста Ширера-Рэя-Хара, а затем U-теста Манна-Уитни для определения значимости между обработками.Обобщенные линейные смешанные модели (GLM) использовались для ненормальных данных с тремя факторами, где данные были преобразованы с использованием преобразования Джонсона63.Моментные корреляции продуктов Pearson были выполнены для оценки взаимосвязи между концентрацией техсанола, температурой стеклования, а также данными о токсичности латекса и адгезии.
Время публикации: 05 января 2023 г.