Tack för att du besöker Nature.com.Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Dessutom, för att säkerställa löpande support, visar vi webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Visar en karusell med tre bilder samtidigt.Använd knapparna Föregående och Nästa för att gå igenom tre bilder åt gången, eller använd skjutknapparna i slutet för att gå igenom tre bilder åt gången.
Avskiljning och lagring av koldioxid är avgörande för att uppnå målen i Parisavtalet.Fotosyntes är naturens teknik för att fånga upp kol.Med inspiration från lavar utvecklade vi en fotosyntetisk 3D-cyanobakteriebiokomposit (dvs. efterliknande lav) med en akryllatexpolymer applicerad på en luffasvamp.Hastigheten för CO2-upptagning av biokompositen var 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 av biomassa d-1.Upptagningshastigheten baseras på torr biomassa i början av experimentet och inkluderar CO2 som används för att odla ny biomassa samt CO2 som finns i lagringsföreningar som kolhydrater.Dessa upptagshastigheter var 14-20 gånger högre än flytgödselkontrollåtgärder och skulle potentiellt kunna skalas upp för att fånga upp 570 t CO2 t-1 biomassa per år-1, motsvarande 5,5-8,17 × 106 hektar markanvändning, vilket tar bort 8-12 GtCO2 CO2 per år.Däremot är skogsbioenergi med avskiljning och lagring av kol 0,4–1,2 × 109 ha.Biokompositen förblev funktionell i 12 veckor utan ytterligare näringsämnen eller vatten, varefter experimentet avslutades.Inom mänsklighetens mångfacetterade tekniska hållning för att bekämpa klimatförändringar, har konstruerade och optimerade cyanobakteriella biokompositer potential för hållbar och skalbar användning för att öka CO2-avlägsnandet samtidigt som förlusterna av vatten, näringsämnen och markanvändning minskar.
Klimatförändringarna är ett verkligt hot mot den globala biologiska mångfalden, ekosystemstabiliteten och människorna.För att mildra dess värsta effekter behövs samordnade och storskaliga avkolningsprogram, och naturligtvis krävs någon form av direkt avlägsnande av växthusgaser från atmosfären.Trots positiv avkolning av elproduktion2,3 finns det för närvarande inga ekonomiskt hållbara tekniska lösningar för att minska atmosfärisk koldioxid (CO2)4, även om avskiljningen av rökgaser går framåt5.Istället för skalbara och praktiska tekniska lösningar bör människor vända sig till naturliga ingenjörer för kolavskiljning – fotosyntetiska organismer (fototrofa organismer).Fotosyntes är naturens teknik för kolbindning, men dess förmåga att vända antropogen kolanrikning på meningsfulla tidsskalor är tveksam, enzymer är ineffektiva och dess förmåga att distribuera i lämpliga skalor är tveksam.En potentiell väg för fototrofi är skogsplantering, som hugger träd för bioenergi med koldioxidavskiljning och -lagring (BECCS) som en teknik för negativa utsläpp som kan bidra till att minska nettoutsläppen av CO21.Men för att uppnå Parisavtalets temperaturmål på 1,5°C med BECCS som huvudmetod skulle det krävas 0,4 till 1,2 × 109 ha, motsvarande 25–75 % av den nuvarande globala åkermarken6.Dessutom ifrågasätter den osäkerhet som är förknippad med de globala effekterna av CO2-gödsling den potentiella totala effektiviteten hos skogsplantager7.Om vi ska nå de temperaturmål som Parisavtalet ställt upp måste 100 sekunder av GtCO2 av växthusgaser (GGR) tas bort från atmosfären varje år.Det brittiska departementet för forskning och innovation tillkännagav nyligen finansiering för fem GGR8-projekt, inklusive torvmarksförvaltning, förbättrad stenvittring, trädplantering, biokol och fleråriga grödor för att mata BECCS-processen.Kostnaderna för att ta bort mer än 130 MtCO2 från atmosfären per år är 10-100 US$/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 per år för återställande av torvmarker, 52-480 US$/tCO2 och 12-27 MtCO2 per år för vittring av stenar , 0,4-30 USD/år.tCO2, 3,6 MtCO2/år, 1 % ökning av skogsarealen, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/år, biokol, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 per år för permanenta grödor med BECCS9.
En kombination av dessa tillvägagångssätt skulle potentiellt kunna nå målet på 130 Mt CO2 per år, men kostnaderna för stenvittring och BECCS är höga, och biokol, även om det är relativt billigt och icke-markanvändningsrelaterat, kräver råmaterial för biokolproduktionsprocessen.erbjuder denna utveckling och nummer för att implementera andra GGR-teknologier.
Istället för att leta efter lösningar på land, leta efter vatten, särskilt encelliga fototrofer som mikroalger och cyanobakterier10.Alger (inklusive cyanobakterier) fångar upp cirka 50 % av världens koldioxid, även om de bara står för 1 % av världens biomassa11.Cyanobakterier är naturens ursprungliga biogeoingenjörer, som lägger grunden för respiratorisk metabolism och utvecklingen av flercelligt liv genom syrehaltig fotosyntes12.Tanken på att använda cyanobakterier för att fånga kol är inte ny, men innovativa metoder för fysisk placering öppnar nya horisonter för dessa uråldriga organismer.
Öppna dammar och fotobioreaktorer är standardtillgångar när mikroalger och cyanobakterier används för industriella ändamål.Dessa odlingssystem använder en suspensionskultur i vilken celler flyter fritt i ett tillväxtmedium14;dammar och fotobioreaktorer har dock många nackdelar såsom dålig CO2-massöverföring, intensiv användning av mark och vatten, känslighet för bioförorening och höga konstruktions- och driftkostnader15,16.Biofilmbioreaktorer som inte använder suspensionskulturer är mer ekonomiska i termer av vatten och utrymme, men riskerar att få uttorkningsskador, benägna att lossna biofilm (och därmed förlust av aktiv biomassa) och är lika benägna att biopåväxt17.
Nya tillvägagångssätt behövs för att öka hastigheten för CO2-upptag och åtgärda problemen som begränsar slurry- och biofilmreaktorer.Ett sådant tillvägagångssätt är fotosyntetiska biokompositer inspirerade av lavar.Lavar är ett komplex av svampar och fotobionter (mikroalger och/eller cyanobakterier) som täcker cirka 12 % av jordens landyta18.Svamparna ger fysiskt stöd, skydd och förankring av det fotobiotiska substratet, vilket i sin tur förser svamparna med kol (som överskott av fotosyntetiska produkter).Den föreslagna biokompositen är en "lavmimetik", där en koncentrerad population av cyanobakterier immobiliseras i form av en tunn biobeläggning på ett bärarsubstrat.Biocoatingen innehåller förutom celler en polymermatris som kan ersätta svampen.Vattenbaserade polymeremulsioner eller "latexer" är att föredra eftersom de är biokompatibla, hållbara, billiga, lätta att hantera och kommersiellt tillgängliga19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Fixeringen av celler med latexpolymerer påverkas i hög grad av latexens sammansättning och filmbildningsprocessen.Emulsionspolymerisation är en heterogen process som används för att producera syntetiskt gummi, självhäftande beläggningar, tätningsmedel, betongtillsatser, pappers- och textilbeläggningar och latexfärger27.Det har ett antal fördelar jämfört med andra polymerisationsmetoder, såsom hög reaktionshastighet och monomeromvandlingseffektivitet, samt enkel produktkontroll27,28.Valet av monomerer beror på de önskade egenskaperna hos den resulterande polymerfilmen, och för blandade monomersystem (dvs sampolymerisationer) kan egenskaperna hos polymeren ändras genom att välja olika förhållanden av monomerer som bildar det resulterande polymermaterialet.Butylakrylat och styren är bland de vanligaste akryllatexmonomererna och används här.Dessutom används ofta koalescerande medel (t.ex. Texanol) för att främja likformig filmbildning där de kan förändra egenskaperna hos polymerlatexen för att ge en stark och "kontinuerlig" (koalescerande) beläggning.I vår första proof-of-concept-studie tillverkades en 3D-biokomposit med hög yta och hög porositet med hjälp av en kommersiell latexfärg applicerad på en luffasvamp.Efter långa och kontinuerliga manipulationer (åtta veckor) visade biokompositen begränsad förmåga att hålla kvar cyanobakterier på luffarställningen eftersom celltillväxt försvagade latexens strukturella integritet.I den aktuella studien syftade vi till att utveckla en serie akryllatexpolymerer av känd kemi för kontinuerlig användning i kolinfångningsapplikationer utan att offra polymernedbrytning.Genom att göra det har vi visat förmågan att skapa lavliknande polymermatriselement som ger förbättrad biologisk prestanda och avsevärt ökad mekanisk elasticitet jämfört med beprövade biokompositer.Ytterligare optimering kommer att påskynda upptaget av biokompositer för kolavskiljning, särskilt när de kombineras med cyanobakterier som metaboliskt modifierats för att förbättra CO2-bindningen.
Nio latexar med tre polymerformuleringar (H = "hård", N = "normal", S = "mjuk") och tre typer av Texanol (0, 4, 12 % v/v) testades för toxicitet och stamkorrelation.Lim.från två cyanobakterier.Latextyp påverkade signifikant S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Hare test, latex: DF=2, H=23,157, P=<0,001) och CCAP 1479/1A (tvåvägs ANOVA, latex: DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (Fig. la).Koncentrationen av texanol påverkade inte tillväxten av S. elongatus PCC 7942 nämnvärt, endast N-latex var ogiftig (Fig. 1a), och O N och 4 N bibehöll tillväxten på 26 % respektive 35 % (Mann- Whitney U, 0 N mot 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N mot kontroll: W = 25,0, P = 0,061; 4 N mot kontroll: W = 25,0, P = 0,061) och 12 N bibehållen tillväxt jämförbar till biologisk kontroll (Mann-Whitney University, 12 N vs. kontroll: W = 17,0, P = 0,885).För S. elongatus CCAP 1479/1A var både latexblandningen och texanolkoncentrationen viktiga faktorer, och en signifikant interaktion observerades mellan de två (tvåvägs 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 och alla "mjuka" latexar främjade tillväxten (Fig. 1a).Det finns en tendens att förbättra tillväxten med minskande styrensammansättning.
Toxicitets- och vidhäftningstestning av cyanobakterier (Synechococcus elongatus PCC 7942 och CCAP 1479/1A) till latexformuleringar, samband med glasövergångstemperatur (Tg) och beslutsmatris baserat på toxicitets- och adhesionsdata.(a) Toxicitetstestning utfördes med användning av separata diagram av procentuell tillväxt av cyanobakterier normaliserade för att kontrollera suspensionskulturer.Behandlingar markerade med * skiljer sig signifikant från kontroller.(b) Cyanobakterietillväxtdata kontra Tg-latex (medelvärde ± SD; n = 3).(c) Det kumulativa antalet cyanobakterier som frigörs från biokompositvidhäftningstestet.(d) Adhesionsdata mot Tg för latexen (medelvärde ± StDev; n = 3).e Beslutsmatris baserad på toxicitets- och vidhäftningsdata.Förhållandet mellan styren och butylakrylat är 1:3 för "hård" (H) latex, 1:1 för "normal" (N) och 3:1 för "mjuk" (S).De tidigare siffrorna i latexkoden motsvarar innehållet av Texanol.
I de flesta fall minskade cellviabiliteten med ökande texanolkoncentration, men det fanns ingen signifikant korrelation för någon av stammarna (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).På fig.Ib visar sambandet mellan celltillväxt och glasövergångstemperatur (Tg).Det finns en stark negativ korrelation mellan texanolkoncentration och Tg-värden (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 visade att det optimala Tg för tillväxt av S. elongatus PCC 7942 var runt 17 °C (Figur 1b), medan S. elongatus CCAP 1479/1A gynnade Tg under 0 °C (Figur 1b).Endast S. elongatus CCAP 1479/1A hade en stark negativ korrelation mellan Tg och toxicitetsdata (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Alla latexar hade god adhesionsaffinitet, och ingen av dem släppte mer än 1% av cellerna efter 72 timmar (Fig. 1c).Det fanns ingen signifikant skillnad mellan latexarna för de två stammarna av S. elongatus (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara test, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- Stråltest).– Hartest, latex*texanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).När koncentrationen av Texanol ökar frigörs fler celler (Figur 1c).jämfört med S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Figur Id).Vidare fanns det inget statistiskt samband mellan Tg och celladhesion av de två stammarna (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
För båda stammarna var "hårda" latexpolymerer ineffektiva.Däremot presterade 4N och 12N bäst mot S. elongatus PCC 7942, medan 4S och 12S presterade bäst mot CCAP 1479/1A (Fig. 1e), även om det helt klart finns utrymme för ytterligare optimering av polymermatrisen.Dessa polymerer har använts i semi-batch-tester för nettoupptag av CO2.
Fotofysiologi övervakades under 7 dagar med användning av celler suspenderade i en vattenhaltig latexkomposition.I allmänhet minskar både den skenbara fotosynteshastigheten (PS) och den maximala PSII-kvantutbytet (Fv/Fm) med tiden, men denna minskning är ojämn och vissa PS-datauppsättningar visar ett bifasiskt svar, vilket tyder på ett partiellt svar, även om återhämtning i realtid kortare PS-aktivitet (fig. 2a och 3b).Det bifasiska Fv/Fm-svaret var mindre uttalat (figur 2b och 3b).
(a) Skenbar fotosynteshastighet (PS) och (b) maximalt PSII-kvantutbyte (Fv/Fm) för Synechococcus elongatus PCC 7942 som svar på latexformuleringar jämfört med kontrollsuspensionskulturer.Förhållandet mellan styren och butylakrylat är 1:3 för "hård" (H) latex, 1:1 för "normal" (N) och 3:1 för "mjuk" (S).De tidigare siffrorna i latexkoden motsvarar innehållet av Texanol.(medelvärde ± standardavvikelse; n = 3).
(a) Skenbar fotosynteshastighet (PS) och (b) maximalt PSII-kvantutbyte (Fv/Fm) av Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A som svar på latexformuleringar jämfört med kontrollsuspensionskulturer.Förhållandet mellan styren och butylakrylat är 1:3 för "hård" (H) latex, 1:1 för "normal" (N) och 3:1 för "mjuk" (S).De tidigare siffrorna i latexkoden motsvarar innehållet av Texanol.(medelvärde ± standardavvikelse; n = 3).
För S. elongatus PCC 7942 påverkade latexsammansättningen och Texanolkoncentrationen inte PS över tiden (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), även om sammansättningen var en viktig faktor (GLM)., latex*tid, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Fig. 2a).Det fanns ingen signifikant effekt av Texanolkoncentration över tiden (GLM, Texanol*tid, DF=14, F=1,63, P=0,078).Det fanns en signifikant interaktion som påverkade Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Interaktionen mellan latexformulering och Texanolkoncentration hade en signifikant effekt på Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Varje parameter påverkar också Fv/Fm över tiden (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 och Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=< 0,001).Latex 12H bibehöll de lägsta genomsnittliga PS- och Fv/Fm-värdena (Fig. 2b), vilket indikerar att denna polymer är mer giftig.
PS för S. elongatus CCAP 1479/1A var signifikant annorlunda (GLM, latex * Texanol * tid, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), med latexsammansättning snarare än Texanolkoncentration (GLM, Latex*tid, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*tid, DF=14, F=1,26, P=0,239)."Mjuka" polymerer 0S och 4S bibehöll något högre nivåer av PS-prestanda än kontrollsuspensioner (Mann-Whitney U, 0S kontra kontroller, W = 686,0, P = 0,044, 4S kontra kontroller, W = 713, P = 0,01) och bibehöll en förbättrat Fv./Fm (Fig. 3a) visar effektivare transport till Fotosystem II.För Fv/Fm-värden för CCAP 1479/1A-celler fanns en signifikant latexskillnad över tiden (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Figur 3b).).
På fig.4 visar medelvärdet av PS och Fv/Fm under en 7-dagarsperiod som en funktion av celltillväxt för varje stam.S. elongatus PCC 7942 hade inget tydligt mönster (fig. 4a och b), men CCAP 1479/1A visade ett paraboliskt samband mellan PS (fig. 4c) och Fv/Fm (fig. 4d) värden som förhållanden mellan styren och butylakrylat växer med förändring.
Samband mellan tillväxt och fotofysiologi av Synechococcus longum på latexpreparat.(a) Toxicitetsdata plottade mot skenbar fotosynteshastighet (PS), (b) maximalt PSII-kvantutbyte (Fv/Fm) för PCC 7942. c Toxicitetsdata plottade mot PS och d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Förhållandet mellan styren och butylakrylat är 1:3 för "hård" (H) latex, 1:1 för "normal" (N) och 3:1 för "mjuk" (S).De tidigare siffrorna i latexkoden motsvarar innehållet av Texanol.(medelvärde ± standardavvikelse; n = 3).
Biokompositen PCC 7942 hade en begränsad effekt på cellretention med betydande cellläckage under de första fyra veckorna (Figur 5).Efter den inledande fasen av CO2-upptag började celler fixerade med 12 N latex att frigöra CO2, och detta mönster kvarstod mellan dag 4 och 14 (Fig. 5b).Dessa data överensstämmer med observationer av pigmentmissfärgning.Nettoupptaget av CO2 började igen från dag 18. Trots cellfrisättning (Fig. 5a), ackumulerade PCC 7942 12 N biokompositen fortfarande mer CO2 än kontrollsuspensionen under 28 dagar, om än något (Mann-Whitney U-test, W = 2275,5; P = 0,066).Absorptionshastigheten för CO2 av latex 12 N och 4 N är 0,51 ± 0,34 och 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 av biomassa d-1.Det fanns en statistiskt signifikant skillnad mellan behandlings- och tidsnivåer (Chairer-Ray-Hare test, behandling: DF=2, H=70,62, P=<0,001 tid: DF=13, H=23,63, P=0,034), men det var inte.det fanns ett signifikant samband mellan behandling och tid (Chairer-Ray-Har test, tid*behandling: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Halvbatch CO2-upptagstester på Synechococcus elongatus PCC 7942 biokompositer med 4N och 12N latex.(a) Bilder visar cellfrisättning och pigmentmissfärgning, samt SEM-bilder av biokompositen före och efter testning.Vita prickade linjer indikerar platserna för cellavsättning på biokompositen.(b) Kumulativt nettoupptag av CO2 under en fyraveckorsperiod."Normal" (N) latex har ett förhållande mellan styren och butylakrylat på 1:1.De tidigare siffrorna i latexkoden motsvarar innehållet av Texanol.(medelvärde ± standardavvikelse; n = 3).
Cellretention förbättrades signifikant för stam CCAP 1479/1A med 4S och 12S, även om pigmentet långsamt ändrade färg över tiden (Fig. 6a).Biokomposit CCAP 1479/1A absorberar CO2 i hela 84 dagar (12 veckor) utan ytterligare näringstillskott.SEM-analys (Fig. 6a) bekräftade den visuella observationen av avlossning av små celler.Till en början var cellerna inneslutna i en latexbeläggning som bibehöll sin integritet trots celltillväxt.CO2-upptagningshastigheten var signifikant högre än kontrollgruppen (Scheirer-Ray-Har-test, behandling: DF=2; H=240,59; P=<0,001, tid: DF=42; H=112; P=<0,001 ) ( Fig. 6b).12S biokompositen uppnådde det högsta CO2-upptaget (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 biomassa per dag), medan 4S latexen var 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 biomassa per dag, men de skilde sig inte signifikant (Mann-Whitney U test, W = 1507,50; P = 0,07) och ingen signifikant interaktion mellan behandling och tid (Shirer-Rey-Hara-test, tid * behandling: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Halvparti CO2-upptagstestning med Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A biokompositer med 4N och 12N latex.(a) Bilder visar cellfrisättning och pigmentmissfärgning, samt SEM-bilder av biokompositen före och efter testning.Vita prickade linjer indikerar platserna för cellavsättning på biokompositen.(b) Kumulativt nettoupptag av CO2 under tolvveckorsperioden."Mjuk" (S) latex har ett förhållande mellan styren och butylakrylat på 1:1.De tidigare siffrorna i latexkoden motsvarar innehållet av Texanol.(medelvärde ± standardavvikelse; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Har test, tid*behandling: DF=4, H=3.243, P=0.518) eller biokomposit S. elongatus CCAP 1479/1A (två-ANOVA, tid*behandling: DF=8 F = 1,79, P = 0,119) (Fig. S4).Biokomposit PCC 7942 hade den högsta kolhydrathalten vid vecka 2 (4 N = 59,4 ± 22,5 viktprocent, 12 N = 67,9 ± 3,3 viktprocent), medan kontrollsuspensionen hade högsta kolhydrathalten vid vecka 4 när (kontroll = 59,6 ± 2,84 % w/w).Det totala kolhydratinnehållet i CCAP 1479/1A-biokompositen var jämförbar med kontrollsuspensionen förutom i början av försöket, med vissa förändringar i 12S-latexen vid vecka 4. De högsta värdena för biokompositen var 51,9 ± 9,6 vikt-% för 4S och 77,1 ± 17,0 vikt% för 12S.
Vi bestämde oss för att demonstrera designmöjligheter för att förbättra den strukturella integriteten hos tunnfilmslatexpolymerbeläggningar som en viktig komponent i konceptet med lavhärmar biokomposit utan att offra biokompatibilitet eller prestanda.Om de strukturella utmaningarna förknippade med celltillväxt övervinns, förväntar vi oss betydande prestandaförbättringar jämfört med våra experimentella biokompositer, som redan är jämförbara med andra cyanobakterier och kolinfångningssystem för mikroalger.
Beläggningar måste vara giftfria, hållbara, stödja långvarig cellvidhäftning och måste vara porösa för att främja effektiv CO2-massöverföring och O2-avgasning.Akrylpolymerer av latextyp är lätta att förbereda och används ofta inom färg-, textil- och limindustrin30.Vi kombinerade cyanobakterier med en vattenbaserad akryllatexpolymeremulsion polymeriserad med ett specifikt förhållande av styren/butylakrylatpartiklar och olika koncentrationer av Texanol.Styren och butylakrylat valdes för att kunna kontrollera de fysikaliska egenskaperna, särskilt elasticiteten och koalescenseffektiviteten hos beläggningen (kritiskt för en stark och mycket vidhäftande beläggning), vilket möjliggör syntes av "hårda" och "mjuka" partikelaggregat.Toxicitetsdata tyder på att "hård" latex med hög styrenhalt inte bidrar till cyanobakteriers överlevnad.Till skillnad från butylakrylat anses styren vara giftigt för alger32,33.Cyanobakteriestammar reagerade helt annorlunda på latex, och den optimala glasövergångstemperaturen (Tg) bestämdes för S. elongatus PCC 7942, medan S. elongatus CCAP 1479/1A visade ett negativt linjärt samband med Tg.
Torktemperaturen påverkar förmågan att bilda en kontinuerlig enhetlig latexfilm.Om torkningstemperaturen är under den minimala filmbildningstemperaturen (MFFT), kommer polymerlatexpartiklarna inte att smälta samman, vilket resulterar i vidhäftning endast vid partikelgränsytan.De resulterande filmerna har dålig vidhäftning och mekanisk styrka och kan till och med vara i pulverform29.MFFT är nära besläktat med Tg, som kan kontrolleras genom monomersammansättning och tillsats av koalescentmedel såsom Texanol.Tg bestämmer många av de fysikaliska egenskaperna hos den resulterande beläggningen, som kan vara i ett gummiartat eller glasartat tillstånd34.Enligt Flory-Fox ekvation35 beror Tg på typen av monomer och den relativa procentuella sammansättningen.Tillsatsen av koalescerande kan sänka MFFT genom intermittent undertryckande av latexpartiklarnas Tg, vilket möjliggör filmbildning vid lägre temperaturer, men fortfarande bildar en hård och stark beläggning eftersom koalescensen långsamt avdunstar med tiden eller har extraherats 36 .
Att öka koncentrationen av Texanol främjar filmbildning genom att mjuka upp polymerpartiklarna (reducera Tg) på grund av absorption av partiklarna under torkning, vilket ökar styrkan hos den kohesiva filmen och cellvidhäftningen.Eftersom biokompositen torkas vid omgivningstemperatur (~18–20°C), är Tg (30 till 55°C) för den "hårda" latexen högre än torkningstemperaturen, vilket betyder att partikelsammanblandningen kanske inte är optimal, vilket resulterar i B-filmer som förblir glasaktiga, dåliga mekaniska och vidhäftande egenskaper, begränsad elasticitet och diffusivitet30 leder i slutändan till större cellförlust.Filmbildning från "normala" och "mjuka" polymerer sker vid eller under polymerfilmens Tg, och filmbildning förbättras genom förbättrad koalescens, vilket resulterar i kontinuerliga polymerfilmer med förbättrade mekaniska, kohesiva och adhesiva egenskaper.Den resulterande filmen kommer att förbli gummiliknande under CO2-fångningsexperiment på grund av att dess Tg är nära (“normal” blandning: 12 till 20 ºC) eller mycket lägre (“mjuk” blandning: -21 till -13 °C ) till omgivningstemperatur 30 ."Hård" latex (3,4 till 2,9 kgf mm–1) är tre gånger hårdare än "normal" latex (1,0 till 0,9 kgf mm–1).Hårdheten hos "mjuka" latexar kan inte mätas med mikrohårdhet på grund av deras överdrivna gummi- och klibbighet vid rumstemperatur.Ytladdning kan också påverka adhesionsaffiniteten, men mer data behövs för att ge meningsfull information.Men alla latexar behöll cellerna effektivt och frigjorde mindre än 1 %.
Fotosyntesens produktivitet minskar med tiden.Exponering för polystyren leder till membranavbrott och oxidativ stress38,39,40,41.Fv/Fm-värdena för S. elongatus CCAP 1479/1A exponerad för 0S och 4S var nästan dubbelt så höga jämfört med suspensionskontrollen, vilket stämmer väl överens med CO2-upptagningshastigheten för 4S-biokompositen, samt med lägre PS-medelvärden.värden.Högre Fv/Fm-värden indikerar att elektrontransport till PSII kan leverera fler fotoner42, vilket kan resultera i högre CO2-fixeringshastigheter.Det bör dock noteras att fotofysiologiska data erhölls från celler suspenderade i vattenhaltiga latexlösningar och inte nödvändigtvis är direkt jämförbara med mogna biokompositer.
Om latex skapar en barriär mot ljus- och/eller gasutbyte, vilket resulterar i ljus- och CO2-begränsningar, kan det orsaka cellulär stress och minska prestandan, och om det påverkar frisättning av O2, fotorespiration39.Ljustransmissionen av de härdade beläggningarna utvärderades: "hård" latex visade en liten minskning i ljustransmission mellan 440 och 480 nm (förbättrades delvis genom att öka koncentrationen av Texanol på grund av förbättrad filmkoalescens), medan "mjuk" och "regelbunden" ” latex visade en liten minskning av ljusgenomsläppligheten.visar ingen märkbar förlust av förlust.Analyserna, såväl som alla inkubationer, utfördes vid låg ljusintensitet (30,5 µmol m-2 s-1), så all fotosyntetiskt aktiv strålning på grund av polymermatrisen kommer att kompenseras och kan till och med vara användbar för att förhindra fotoinhibering.vid skadliga ljusintensiteter.
Biokomposit CCAP 1479/1A fungerade under de 84 dagarna av testning, utan näringsomsättning eller betydande förlust av biomassa, vilket är ett huvudmål med studien.Celldepigmentering kan associeras med en process av kloros som svar på kvävesvält för att uppnå långsiktig överlevnad (vilotillstånd), vilket kan hjälpa celler att återuppta tillväxten efter att tillräcklig kväveackumulering har uppnåtts.SEM-bilderna bekräftade att cellerna förblev inuti beläggningen trots celldelning, vilket visade elasticiteten hos den "mjuka" latexen och visade därmed en klar fördel jämfört med den experimentella versionen.”Mjuk” latex innehåller cirka 70 % butylakrylat (vikt), vilket är mycket högre än den angivna koncentrationen för en flexibel beläggning efter torkning44.
Nettoupptaget av CO2 var signifikant högre än kontrollsuspensionen (14–20 och 3–8 gånger högre för S. elongatus CCAP 1479/1A respektive PCC 7942).Tidigare använde vi en CO2-massöverföringsmodell för att visa att den huvudsakliga drivkraften för högt CO2-upptag är en skarp CO2-koncentrationsgradient vid ytan av biokompositen31 och att biokompositprestanda kan begränsas av motstånd mot massöverföring.Detta problem kan övervinnas genom att införliva ogiftiga, icke-filmbildande ingredienser i latexen för att öka beläggningens porositet och permeabilitet26, men cellretention kan äventyras eftersom denna strategi oundvikligen kommer att resultera i en svagare film20.Den kemiska sammansättningen kan ändras under polymerisationen för att öka porositeten, vilket är det bästa alternativet, särskilt när det gäller industriell produktion och skalbarhet45.
Prestandan hos den nya biokompositen jämfört med nyare studier med biokompositer från mikroalger och cyanobakterier visade fördelar vid justering av cellladdningshastigheten (tabell 1)21,46 och med längre analystider (84 dagar mot 15 timmar46 och 3 veckor21).
Det volymetriska innehållet av kolhydrater i celler kan jämföras med andra studier47,48,49,50 med cyanobakterier och används som ett potentiellt kriterium för kolavskiljning och användning/återvinning, såsom för BECCS fermenteringsprocesser49,51 eller för produktion av biologiskt nedbrytbart material. bioplaster52.Som en del av logiken för denna studie antar vi att beskogning, även om den beaktas i BECCS-konceptet med negativa utsläpp, inte är ett universalmedel mot klimatförändringar och förbrukar en alarmerande del av världens åkermark6.Som ett tankeexperiment uppskattades det att mellan 640 och 950 GtCO2 skulle behöva avlägsnas från atmosfären år 2100 för att begränsa den globala temperaturökningen till 1,5°C53 (cirka 8 till 12 GtCO2 per år).Att uppnå detta med en bättre presterande biokomposit (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 biomassa per år-1) skulle kräva volymexpansion från 5,5 × 1010 till 8,2 × 1010 m3 (med jämförbar fotosyntetisk effektivitet), innehållande från 196 till 2,92 miljarder liter polymer.Om man antar att 1 m3 biokompositer upptar 1 m2 landyta, kommer den yta som krävs för att absorbera den årliga målsättningen för total CO2 att vara mellan 5,5 och 8,17 miljoner hektar, vilket motsvarar 0,18-0,27 % av lämplig för livslängden för marken i landet. tropikerna och minska landytan.behov av BECCS med 98-99%.Det bör noteras att det teoretiska fångstförhållandet är baserat på CO2-absorptionen registrerad i svagt ljus.Så fort biokompositen utsätts för mer intensivt naturligt ljus, ökar CO2-upptagningshastigheten, vilket ytterligare minskar markbehovet och tippar skalan ytterligare mot biokompositkonceptet.Implementeringen måste dock vara vid ekvatorn för konstant bakgrundsbelysningsintensitet och varaktighet.
Den globala effekten av CO2-gödsling, det vill säga ökningen av vegetationsproduktiviteten orsakad av ökad CO2-tillgänglighet, har minskat på de flesta landområden, troligen på grund av förändringar i markens viktiga näringsämnen (N och P) och vattenresurser7.Detta innebär att markbunden fotosyntes kanske inte leder till ett ökat CO2-upptag, trots förhöjda CO2-koncentrationer i luften.I detta sammanhang är det ännu mindre sannolikt att markbaserade strategier för att begränsa klimatförändringar som BECCS kommer att lyckas.Om detta globala fenomen bekräftas kan vår lav-inspirerade biokomposit vara en nyckeltillgång, som förvandlar encelliga vattenlevande fotosyntetiska mikrober till "markmedel".De flesta landväxter fixerar CO2 genom C3-fotosyntes, medan C4-växter är mer gynnsamma för varmare, torrare livsmiljöer och är mer effektiva vid högre CO254-partialtryck.Cyanobakterier erbjuder ett alternativ som kan kompensera de alarmerande förutsägelserna om minskad koldioxidexponering i C3-anläggningar.Cyanobakterier har övervunnit fotorespiratoriska begränsningar genom att utveckla en effektiv kolanrikningsmekanism där högre partialtryck av CO2 presenteras och upprätthålls av ribulos-1,5-bisfosfatkarboxylas/oxygenas (RuBisCo) i karboxysomer runt omkring.Om produktionen av cyanobakteriella biokompositer kan ökas kan detta bli ett viktigt vapen för mänskligheten i kampen mot klimatförändringarna.
Biokompositer (lavhärmar) erbjuder klara fördelar jämfört med konventionella mikroalger och cyanobakteriesuspensionskulturer, ger högre CO2-upptag, minimerar föroreningsrisker och lovar konkurrenskraftig undvikande av CO2.Kostnaderna minskar användningen av mark, vatten och näringsämnen avsevärt56.Denna studie visar på genomförbarheten av att utveckla och tillverka en högpresterande biokompatibel latex som, i kombination med en luffasvamp som ett kandidatsubstrat, kan ge effektivt och effektivt CO2-upptag under månader av operation samtidigt som cellförlusten hålls till ett minimum.Biokompositer skulle teoretiskt kunna fånga upp cirka 570 t CO2 t-1 biomassa per år och kan visa sig vara viktigare än BECCS skogsplanteringsstrategier i vårt svar på klimatförändringarna.Med ytterligare optimering av polymersammansättningen, testning vid högre ljusintensiteter och i kombination med utarbetad metabolisk ingenjörskonst, kan naturens ursprungliga biogeoingenjörer återigen komma till undsättning.
Akryllatexpolymerer framställdes med användning av en blandning av styrenmonomerer, butylakrylat och akrylsyra, och pH justerades till 7 med 0,1 M natriumhydroxid (tabell 2).Styren och butylakrylat utgör huvuddelen av polymerkedjorna, medan akrylsyra hjälper till att hålla latexpartiklarna i suspension57.Latexens strukturella egenskaper bestäms av glasövergångstemperaturen (Tg), som styrs genom att ändra förhållandet mellan styren och butylakrylat, vilket ger "hårda" respektive "mjuka" egenskaper58.En typisk akryllatexpolymer är 50:50 styren:butylakrylat 30, så i denna studie kallades latex med detta förhållande till som "normal" latex, och latex med högre styrenhalt hänvisades till som en latex med lägre styrenhalt .kallas "mjuk" som "hård".
En primär emulsion framställdes med användning av destillerat vatten (174 g), natriumbikarbonat (0,5 g) och Rhodapex Ab/20 ytaktivt medel (30,92 g) (Solvay) för att stabilisera de 30 monomerdropparna.Med användning av en glasspruta (Science Glass Engineering) med en sprutpump tillsattes en sekundär alikvot innehållande styren, butylakrylat och akrylsyra som anges i Tabell 2 droppvis med en hastighet av 100 ml h-1 till den primära emulsionen under 4 timmar (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Bered en lösning av polymerisationsinitiator 59 med användning av dHO och ammoniumpersulfat (100 ml, 3 % vikt/vikt).
Rör om lösningen som innehåller dHO (206 g), natriumbikarbonat (1 g) och Rhodapex Ab/20 (4,42 g) med en omrörare (Heidolph Hei-MOMENT-värde 100) med en propeller av rostfritt stål och värm till 82°C i en vattenmantlad kärl i ett VWR Scientific 1137P uppvärmt vattenbad.En lösning med reducerad vikt av monomer (28,21 g) och initiator (20,60 g) sattes droppvis till det mantlade kärlet och omrördes under 20 minuter.Blanda kraftfullt de återstående monomerlösningarna (150 ml h-1) och initiatorlösningarna (27 ml h-1) för att hålla partiklarna i suspension tills de läggs till vattenmanteln under 5 timmar med 10 ml sprutor respektive 100 ml i en behållare .kompletteras med en sprutpump.Omrörarens hastighet ökades på grund av ökningen av uppslamningsvolymen för att säkerställa uppslamningsretention.Efter tillsats av initiatorn och emulsionen höjdes reaktionstemperaturen till 85°C, omrördes väl vid 450 rpm under 30 minuter och kyldes sedan till 65°C.Efter kylning sattes två undanträngningslösningar till latexen: tert-butylhydroperoxid (t-BHP) (70 % i vatten) (5 g, 14 viktprocent) och isoaskorbinsyra (5 g, 10 viktprocent)..Tillsätt t-BHP droppvis och låt stå i 20 minuter.Erytorbinsyra tillsattes sedan med en hastighet av 4 ml/h från en 10 ml spruta med användning av en sprutpump.Latexlösningen kyldes sedan till rumstemperatur och justerades till pH 7 med 0,1 M natriumhydroxid.
2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol monoisobutyrate (Texanol) – låg toxicitet biologiskt nedbrytbar koalescent för latexfärger 37,60 – tillsattes med en spruta och pump i tre volymer (0, 4, 12 % v/v) som koalescerande medel för latexblandningar för att underlätta filmbildning under torkning37.Procentandelen av fasta latexämnen bestämdes genom att placera 100 ul av varje polymer i förvägda aluminiumfolielock och torka i en ugn vid 100°C under 24 timmar.
För ljustransmission applicerades varje latexblandning på ett objektglas med användning av en droppkub av rostfritt stål kalibrerad för att producera 100 µm filmer och torkades vid 20°C i 48 timmar.Ljustransmission (fokuserad på fotosyntetiskt aktiv strålning, λ 400–700 nm) mättes på en ILT950 SpectriLight spektroradiometer med en sensor på ett avstånd av 35 cm från ett 30 W lysrör (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – där ljuset källan var cyanobakterier och organismer Kompositmaterial finns bevarade.SpectrILight III mjukvaruversion 3.5 användes för att registrera belysningsstyrka och transmission i området λ 400–700 nm61.Alla prover placerades ovanpå sensorn och obelagda glasskivor användes som kontroller.
Latexprover sattes till en bakform av silikon och fick torka i 24 timmar innan de testades för hårdhet.Placera det torkade latexprovet på en stålkåpa under ett x10-mikroskop.Efter fokusering utvärderades proverna på en Buehler Micromet II mikrohårdhetstestare.Provet utsattes för en kraft på 100 till 200 gram och laddningstiden sattes till 7 sekunder för att skapa en diamantbuckla i provet.Utskriften analyserades med ett Bruker Alicona × 10 mikroskopobjektiv med ytterligare mjukvara för formmätning.Vickers hårdhetsformel (Ekvation 1) användes för att beräkna hårdheten för varje latex, där HV är Vickers tal, F är den applicerade kraften och d är medelvärdet av indragsdiagonalerna beräknade från latexens höjd och bredd.indragsvärde."Mjuk" latex kan inte mätas på grund av vidhäftning och sträckning under fördjupningstestet.
För att bestämma glasövergångstemperaturen (Tg) för latexkompositionen placerades polymerprover i silikagelskålar, torkades i 24 timmar, vägdes till 0,005 g och placerades i provskålar.Skålen förslöts och placerades i en differentiell skanningskolorimeter (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, Pyris dataanalysmjukvara)62.Värmeflödesmetoden används för att placera referenskoppar och provkoppar i samma ugn med en inbyggd temperatursond för att mäta temperaturen.Totalt två ramper användes för att skapa en konsekvent kurva.Provmetoden höjdes upprepade gånger från -20°C till 180°C med en hastighet av 20°C per minut.Varje start- och slutpunkt lagras i 1 minut för att ta hänsyn till temperaturfördröjning.
För att utvärdera biokompositens förmåga att absorbera CO2, preparerades och testades prover på samma sätt som i vår tidigare studie31.Den torkade och autoklaverade tvättlappen skars i remsor på ungefär 1×1×5 cm och vägdes.Applicera 600 µl av de två mest effektiva biobeläggningarna av varje cyanobakteriestam i ena änden av varje luffremsa, som täcker cirka 1 × 1 × 3 cm, och torka i mörker vid 20°C i 24 timmar.På grund av den makroporösa strukturen hos luffan gick en del av formeln bort, så cellladdningseffektiviteten var inte 100 %.För att övervinna detta problem bestämdes vikten av det torra preparatet på luffan och normaliserades till referenstorrpreparatet.Abiotiska kontroller bestående av luffa, latex och sterilt näringsmedium framställdes på liknande sätt.
För att utföra ett halvbatch CO2-upptagstest, placera biokompositen (n = 3) i ett 50 ml glasrör så att ena änden av biokompositen (utan biobeläggningen) är i kontakt med 5 ml odlingsmedium, vilket gör att näringsämnet kan transporteras genom kapillärverkan..Flaskan är förseglad med en butylgummikork med en diameter på 20 mm och krusad med ett silverfärgat aluminiumlock.När den är förseglad, injicera 45 ml 5 % CO2/luft med en steril nål fäst på en gastät spruta.Celldensiteten för kontrollsuspensionen (n = 3) var ekvivalent med cellbelastningen av biokompositen i näringsmediet.Testerna utfördes vid 18 ± 2°C med en fotoperiod på 16:8 och en fotoperiod på 30,5 µmol m-2 s-1.Huvudutrymme togs bort varannan dag med en gastät spruta och analyserades med en CO2-mätare med infraröd absorption GEOTech G100 för att bestämma procentandelen CO2 som absorberades.Tillsätt en lika stor volym CO2-gasblandning.
% CO2 Fix beräknas enligt följande: % CO2 Fix = 5 % (v/v) – skriv %CO2 (ekvation 2) där P = tryck, V = volym, T = temperatur och R = idealgaskonstant.
Rapporterade CO2-upptagshastigheter för kontrollsuspensioner av cyanobakterier och biokompositer normaliserades till icke-biologiska kontroller.Den funktionella enheten för g biomassa är mängden torr biomassa som är immobiliserad på tvättlappen.Det bestäms genom att väga luffaprover före och efter cellfixering.Redovisning av cellbelastningsmassa (biomassaekvivalent) genom att individuellt väga preparaten före och efter torkning och genom att beräkna cellpreparatets densitet (ekvation 3).Cellberedningar antas vara homogena under fixering.
Minitab 18 och Microsoft Excel med RealStatistics-tillägget användes för statistisk analys.Normalitet testades med Anderson-Darling-testet och varianslikhet testades med Levene-testet.Data som uppfyller dessa antaganden analyserades med tvåvägsvariansanalys (ANOVA) med Tukeys test som post hoc-analys.Tvåvägsdata som inte uppfyllde antagandena om normalitet och lika varians analyserades med Shirer-Ray-Hara-testet och sedan Mann-Whitneys U-test för att bestämma signifikans mellan behandlingarna.Generaliserade linjära blandade (GLM) modeller användes för icke-normala data med tre faktorer, där data transformerades med hjälp av Johnson transform63.Momentkorrelationer av Pearson-produkter utfördes för att utvärdera sambandet mellan Texanolkoncentration, glasövergångstemperatur och latextoxicitet och vidhäftningsdata.
Posttid: Jan-05-2023