Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.
Η δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα είναι απαραίτητη για την επίτευξη των στόχων της Συμφωνίας του Παρισιού.Η φωτοσύνθεση είναι η τεχνολογία της φύσης για τη σύλληψη άνθρακα.Αντλώντας έμπνευση από λειχήνες, αναπτύξαμε ένα τρισδιάστατο βιοσύνθετο φωτοσυνθετικό υλικό κυανοβακτηρίων (δηλ. μιμούμενος λειχήνες) χρησιμοποιώντας ένα πολυμερές ακρυλικού λατέξ που εφαρμόζεται σε ένα σφουγγάρι λούφας.Ο ρυθμός πρόσληψης CO2 από το βιοσύνθετο ήταν 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 βιομάζας d-1.Ο ρυθμός πρόσληψης βασίζεται στην ξηρή βιομάζα στην αρχή του πειράματος και περιλαμβάνει CO2 που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη νέας βιομάζας καθώς και CO2 που περιέχεται σε ενώσεις αποθήκευσης όπως οι υδατάνθρακες.Αυτοί οι ρυθμοί πρόσληψης ήταν 14-20 φορές υψηλότεροι από τα μέτρα ελέγχου της ιλύος και θα μπορούσαν δυνητικά να κλιμακωθούν για τη δέσμευση 570 t CO2 t-1 βιομάζας ανά έτος-1, που ισοδυναμεί με 5,5-8,17 × 106 εκτάρια χρήσης γης , αφαιρώντας 8-12 GtCO2 CO2 ανά έτος.Αντίθετα, η δασική βιοενέργεια με δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα είναι 0,4–1,2 × 109 εκτάρια.Το βιοσύνθετο παρέμεινε λειτουργικό για 12 εβδομάδες χωρίς πρόσθετα θρεπτικά συστατικά ή νερό, και μετά το πείραμα τερματίστηκε.Στο πλαίσιο της πολύπλευρης τεχνολογικής στάσης της ανθρωπότητας για την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής, τα κατασκευασμένα και βελτιστοποιημένα κυανοβακτηριακά βιοσύνθετα έχουν τη δυνατότητα βιώσιμης και κλιμακούμενης ανάπτυξης για την αύξηση της απομάκρυνσης του CO2 με ταυτόχρονη μείωση των απωλειών νερού, θρεπτικών ουσιών και χρήσης γης.
Η κλιματική αλλαγή αποτελεί πραγματική απειλή για την παγκόσμια βιοποικιλότητα, τη σταθερότητα των οικοσυστημάτων και τους ανθρώπους.Για να μετριαστούν οι χειρότερες επιπτώσεις του, απαιτούνται συντονισμένα και μεγάλης κλίμακας προγράμματα απανθράκωσης και, φυσικά, απαιτείται κάποια μορφή άμεσης απομάκρυνσης των αερίων του θερμοκηπίου από την ατμόσφαιρα.Παρά τη θετική απαλλαγή της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνθρακα2,3, δεν υπάρχουν επί του παρόντος οικονομικά βιώσιμες τεχνολογικές λύσεις για τη μείωση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2)4 της ατμόσφαιρας, αν και η δέσμευση καυσαερίων προχωρά5.Αντί για επεκτάσιμες και πρακτικές λύσεις μηχανικής, οι άνθρωποι θα πρέπει να στραφούν σε φυσικούς μηχανικούς για τη δέσμευση άνθρακα – φωτοσυνθετικούς οργανισμούς (φωτοτροφικούς οργανισμούς).Η φωτοσύνθεση είναι η τεχνολογία δέσμευσης άνθρακα της φύσης, αλλά η ικανότητά της να αναστρέφει τον ανθρωπογενή εμπλουτισμό άνθρακα σε σημαντικές χρονικές κλίμακες είναι αμφισβητήσιμη, τα ένζυμα είναι αναποτελεσματικά και η ικανότητά της να αναπτύσσεται σε κατάλληλες κλίμακες αμφισβητείται.Μια πιθανή οδός για φωτοτροφία είναι η δάσωση, η οποία κόβει δέντρα για βιοενέργεια με δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα (BECCS) ως τεχνολογία αρνητικών εκπομπών που μπορεί να βοηθήσει στη μείωση των καθαρών εκπομπών CO21.Ωστόσο, για να επιτευχθεί ο στόχος θερμοκρασίας της Συμφωνίας του Παρισιού των 1,5°C χρησιμοποιώντας το BECCS ως κύρια μέθοδο θα απαιτηθούν 0,4 έως 1,2 × 109 εκτάρια, που ισοδυναμούν με το 25–75% της τρέχουσας παγκόσμιας καλλιεργήσιμης γης6.Επιπλέον, η αβεβαιότητα που σχετίζεται με τις παγκόσμιες επιπτώσεις της λίπανσης CO2 θέτει υπό αμφισβήτηση τη δυνητική συνολική αποτελεσματικότητα των δασικών φυτειών7.Αν θέλουμε να επιτύχουμε τους στόχους θερμοκρασίας που θέτει η Συμφωνία του Παρισιού, 100 δευτερόλεπτα GtCO2 αερίων θερμοκηπίου (GGR) πρέπει να αφαιρούνται από την ατμόσφαιρα κάθε χρόνο.Το Υπουργείο Έρευνας και Καινοτομίας του Ηνωμένου Βασιλείου ανακοίνωσε πρόσφατα χρηματοδότηση για πέντε έργα GGR8, συμπεριλαμβανομένης της διαχείρισης τυρφώνων, της βελτιωμένης διάβρωσης των βράχων, της δενδροφύτευσης, του βιοκάρβουνου και των πολυετών καλλιεργειών για την τροφοδοσία της διαδικασίας BECCS.Το κόστος της απομάκρυνσης περισσότερων από 130 MtCO2 από την ατμόσφαιρα ετησίως είναι 10-100 US$/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 ετησίως για την αποκατάσταση τυρφώνων, 52-480 US$/tCO2 και 12-27 MtCO2 ετησίως για τη διάβρωση των βράχων. , 0,4-30 USD/έτος.tCO2, 3,6 MtCO2/έτος, 1% αύξηση στη δασική έκταση, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/έτος, βιοαπάνθρακας, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 ετησίως για μόνιμες καλλιέργειες που χρησιμοποιούν BECCS9.
Ένας συνδυασμός αυτών των προσεγγίσεων θα μπορούσε δυνητικά να φτάσει τον στόχο των 130 Mt CO2 ετησίως, αλλά το κόστος της διάβρωσης των βράχων και του BECCS είναι υψηλό και ο βιοαπανθράκων, αν και σχετικά φθηνός και δεν σχετίζεται με τη χρήση γης, απαιτεί πρώτη ύλη για τη διαδικασία παραγωγής βιοαπανθράκων.προσφέρει αυτήν την ανάπτυξη και τον αριθμό για την ανάπτυξη άλλων τεχνολογιών GGR.
Αντί να αναζητάτε λύσεις στην ξηρά, αναζητήστε νερό, ειδικά μονοκύτταρα φωτότροφα όπως τα μικροφύκη και τα κυανοβακτήρια10.Τα φύκια (συμπεριλαμβανομένων των κυανοβακτηρίων) δεσμεύουν περίπου το 50% του διοξειδίου του άνθρακα στον κόσμο, αν και αντιπροσωπεύουν μόνο το 1% της παγκόσμιας βιομάζας11.Τα κυανοβακτήρια είναι οι αρχικοί βιογεωμηχανικοί της φύσης, που θέτουν τα θεμέλια για τον αναπνευστικό μεταβολισμό και την εξέλιξη της πολυκυτταρικής ζωής μέσω της οξυγονικής φωτοσύνθεσης12.Η ιδέα της χρήσης κυανοβακτηρίων για τη σύλληψη του άνθρακα δεν είναι νέα, αλλά καινοτόμες μέθοδοι φυσικής τοποθέτησης ανοίγουν νέους ορίζοντες για αυτούς τους αρχαίους οργανισμούς.
Οι ανοιχτές λίμνες και οι φωτοβιοαντιδραστήρες είναι προεπιλεγμένα περιουσιακά στοιχεία όταν χρησιμοποιούνται μικροφύκη και κυανοβακτήρια για βιομηχανικούς σκοπούς.Αυτά τα συστήματα καλλιέργειας χρησιμοποιούν μια καλλιέργεια εναιωρήματος στην οποία τα κύτταρα επιπλέουν ελεύθερα σε ένα μέσο ανάπτυξης14.Ωστόσο, οι λίμνες και οι φωτοβιοαντιδραστήρες έχουν πολλά μειονεκτήματα, όπως κακή μεταφορά μάζας CO2, εντατική χρήση γης και νερού, ευαισθησία στη βιοαπόρριψη και υψηλό κόστος κατασκευής και λειτουργίας15,16.Οι βιοαντιδραστήρες βιοφίλμ που δεν χρησιμοποιούν καλλιέργειες εναιωρήματος είναι πιο οικονομικοί από άποψη νερού και χώρου, αλλά κινδυνεύουν να υποστούν ζημιά από την ξήρανση, επιρρεπείς σε αποκόλληση βιοφίλμ (και συνεπώς απώλεια ενεργού βιομάζας) και είναι εξίσου επιρρεπείς σε βιορρύπανση17.
Απαιτούνται νέες προσεγγίσεις για την αύξηση του ρυθμού πρόσληψης CO2 και την αντιμετώπιση των προβλημάτων που περιορίζουν τους αντιδραστήρες ιλύος και βιοφίλμ.Μια τέτοια προσέγγιση είναι τα φωτοσυνθετικά βιοσύνθετα εμπνευσμένα από λειχήνες.Οι λειχήνες είναι ένα σύμπλεγμα μυκήτων και φωτοβιόντων (μικροφύκη ή/και κυανοβακτήρια) που καλύπτουν περίπου το 12% της χερσαίας έκτασης της Γης18.Οι μύκητες παρέχουν φυσική υποστήριξη, προστασία και αγκύρωση του φωτοβιοτικού υποστρώματος, το οποίο με τη σειρά του παρέχει στους μύκητες άνθρακα (ως περίσσεια φωτοσυνθετικών προϊόντων).Το προτεινόμενο βιοσύνθετο είναι ένα «μιμητικό λειχήνων», στο οποίο ένας συγκεντρωμένος πληθυσμός κυανοβακτηρίων ακινητοποιείται με τη μορφή μιας λεπτής βιοεπικάλυψης σε ένα υπόστρωμα φορέα.Εκτός από τα κύτταρα, η βιοεπικάλυψη περιέχει μια πολυμερή μήτρα που μπορεί να αντικαταστήσει τον μύκητα.Τα γαλακτώματα πολυμερών με βάση το νερό ή τα «λάτεξ» προτιμώνται επειδή είναι βιοσυμβατά, ανθεκτικά, φθηνά, εύκολα στο χειρισμό και διαθέσιμα στο εμπόριο19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
Η στερέωση των κυττάρων με πολυμερή λατέξ επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη σύνθεση του λατέξ και τη διαδικασία σχηματισμού φιλμ.Ο πολυμερισμός με γαλάκτωμα είναι μια ετερογενής διαδικασία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή συνθετικού καουτσούκ, συγκολλητικών επικαλύψεων, στεγανωτικών, πρόσθετων σκυροδέματος, επικαλύψεων χαρτιού και υφασμάτων και χρωμάτων λατέξ27.Έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες μεθόδους πολυμερισμού, όπως υψηλή ταχύτητα αντίδρασης και απόδοση μετατροπής μονομερών, καθώς και ευκολία στον έλεγχο του προϊόντος27,28.Η επιλογή των μονομερών εξαρτάται από τις επιθυμητές ιδιότητες της προκύπτουσας μεμβράνης πολυμερούς, και για μικτά μονομερή συστήματα (δηλ. συμπολυμερισμοί), οι ιδιότητες του πολυμερούς μπορούν να αλλάξουν επιλέγοντας διαφορετικές αναλογίες μονομερών που σχηματίζουν το προκύπτον πολυμερές υλικό.Ο ακρυλικός βουτυλεστέρας και το στυρόλιο είναι από τα πιο κοινά μονομερή ακρυλικού λατέξ και χρησιμοποιούνται εδώ.Επιπλέον, παράγοντες συγχώνευσης (π.χ. Texanol) χρησιμοποιούνται συχνά για την προώθηση του ομοιόμορφου σχηματισμού μεμβράνης όπου μπορούν να αλλάξουν τις ιδιότητες του πολυμερούς λατέξ για να παράγουν μια ισχυρή και «συνεχή» (συγκολλητική) επίστρωση.Στην αρχική μας μελέτη απόδειξης της ιδέας, ένα τρισδιάστατο βιοσύνθετο υλικό υψηλής επιφάνειας, υψηλού πορώδους κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας μια εμπορική βαφή λατέξ που εφαρμόστηκε σε ένα σφουγγάρι λούφα.Μετά από μακρούς και συνεχείς χειρισμούς (οκτώ εβδομάδες), το βιοσύνθετο έδειξε περιορισμένη ικανότητα συγκράτησης κυανοβακτηρίων στο ικρίωμα της λούφας, επειδή η κυτταρική ανάπτυξη αποδυνάμωσε τη δομική ακεραιότητα του λατέξ.Στην παρούσα μελέτη, στοχεύσαμε να αναπτύξουμε μια σειρά από πολυμερή ακρυλικού λατέξ γνωστής χημείας για συνεχή χρήση σε εφαρμογές δέσμευσης άνθρακα χωρίς να θυσιάζεται η αποικοδόμηση του πολυμερούς.Με αυτόν τον τρόπο, αποδείξαμε την ικανότητα να δημιουργούμε στοιχεία πολυμερούς μήτρας που μοιάζουν με λειχήνες που παρέχουν βελτιωμένη βιολογική απόδοση και σημαντικά αυξημένη μηχανική ελαστικότητα σε σύγκριση με αποδεδειγμένα βιοσύνθετα.Περαιτέρω βελτιστοποίηση θα επιταχύνει την πρόσληψη βιοσύνθετων υλικών για δέσμευση άνθρακα, ειδικά όταν συνδυάζεται με κυανοβακτήρια μεταβολικά τροποποιημένα για την ενίσχυση της δέσμευσης CO2.
Εννέα λατέξ με τρεις συνθέσεις πολυμερούς (H = «σκληρό», Ν = «κανονικό», S = «μαλακό») και τρεις τύποι Texanol (0, 4, 12% v/v) δοκιμάστηκαν για τοξικότητα και συσχέτιση στελέχους.Συγκολλητικός.από δύο κυανοβακτήρια.Ο τύπος λατέξ επηρέασε σημαντικά το S. elongatus PCC 7942 (δοκιμή Shirer-Ray-Hare, λάτεξ: DF=2, H=23.157, P=<0.001) και το CCAP 1479/1A (αμφίδρομη ANOVA, λατέξ: DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (Εικ. 1α).Η συγκέντρωση της τεξανόλης δεν επηρέασε σημαντικά την ανάπτυξη του S. elongatus PCC 7942, μόνο το N-latex ήταν μη τοξικό (Εικ. 1a) και τα 0 N και 4 N διατήρησαν ανάπτυξη 26% και 35% αντίστοιχα (Mann- Whitney U, 0 N έναντι 4 N: W = 13,50, P = 0,245, 0 N έναντι ελέγχου: W = 25,0, P = 0,061, 4 N έναντι ελέγχου: W = 25,0, P = 0,061) και 12 N διατήρησε συγκρίσιμη ανάπτυξη σε βιολογικό έλεγχο (Mann-Whitney University, 12 N έναντι ελέγχου: W = 17,0, P = 0,885).Για το S. elongatus CCAP 1479/1A, τόσο το μείγμα λατέξ όσο και η συγκέντρωση τεξανόλης ήταν σημαντικοί παράγοντες και παρατηρήθηκε σημαντική αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο (αμφίδρομη ANOVA, λατέξ: DF=2, F=103,93, P=<0,001, Τεξανόλη : DF=2, F=5,96, P=0,01, Latex*Texanol: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N και όλα τα «μαλακά» λατέξ προώθησαν την ανάπτυξη (Εικ. 1α).Υπάρχει μια τάση βελτίωσης της ανάπτυξης με τη μείωση της σύνθεσης στυρενίου.
Δοκιμή τοξικότητας και προσκόλλησης κυανοβακτηρίων (Synechococcus elongatus PCC 7942 και CCAP 1479/1A) σε σκευάσματα λατέξ, σχέση με τη θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg) και μήτρα απόφασης με βάση δεδομένα τοξικότητας και πρόσφυσης.(α) Πραγματοποιήθηκε δοκιμή τοξικότητας χρησιμοποιώντας χωριστές γραφικές παραστάσεις ποσοστιαίας ανάπτυξης κυανοβακτηρίων κανονικοποιημένων για τον έλεγχο των καλλιεργειών εναιωρήματος.Οι θεραπείες που σημειώνονται με * διαφέρουν σημαντικά από τις θεραπείες ελέγχου.(β) Δεδομένα ανάπτυξης κυανοβακτηρίων έναντι Tg latex (μέσος όρος ± SD, n = 3).(γ) Ο αθροιστικός αριθμός κυανοβακτηρίων που απελευθερώνονται από τη δοκιμή πρόσφυσης βιοσύνθετου υλικού.(δ) Δεδομένα πρόσφυσης έναντι Tg του λατέξ (μέση τιμή ± StDev, n = 3).e Πίνακας απόφασης που βασίζεται σε δεδομένα τοξικότητας και προσκόλλησης.Η αναλογία στυρολίου προς ακρυλικό βουτυλεστέρα είναι 1:3 για το «σκληρό» (Η) λατέξ, 1:1 για το «κανονικό» (N) και 3:1 για το «μαλακό» (S).Οι προηγούμενοι αριθμοί στον κωδικό λατέξ αντιστοιχούν στην περιεκτικότητα σε Texanol.
Στις περισσότερες περιπτώσεις, η βιωσιμότητα των κυττάρων μειώθηκε με την αύξηση της συγκέντρωσης τεξανόλης, αλλά δεν υπήρχε σημαντική συσχέτιση για κανένα από τα στελέχη (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299, PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).Στο σχ.Το 1b δείχνει τη σχέση μεταξύ της κυτταρικής ανάπτυξης και της θερμοκρασίας μετάπτωσης υάλου (Tg).Υπάρχει ισχυρή αρνητική συσχέτιση μεταξύ της συγκέντρωσης τεξανόλης και των τιμών Tg (H-latex: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-latex: DF=7, r=-0,964, P=<0,001 S-λατέξ: DF=7, r=-0,946, P=<0,001).Τα δεδομένα έδειξαν ότι η βέλτιστη Tg για την ανάπτυξη του S. elongatus PCC 7942 ήταν περίπου 17 °C (Εικόνα 1b), ενώ ο S. elongatus CCAP 1479/1A ευνοούσε την Tg κάτω από τους 0 °C (Εικόνα 1b).Μόνο το S. elongatus CCAP 1479/1A είχε ισχυρή αρνητική συσχέτιση μεταξύ της Tg και των δεδομένων τοξικότητας (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Όλα τα λατέξ είχαν καλή συγγένεια προσκόλλησης και κανένα από αυτά δεν απελευθέρωσε περισσότερο από το 1% των κυττάρων μετά από 72 ώρες (Εικ. 1γ).Δεν υπήρχε σημαντική διαφορά μεταξύ των λατέξ των δύο στελεχών του S. elongatus (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara test, Latex*Texanol, DF=4, H=0.903; P=0.924; CCAP 1479/1A: Scheirer- Δοκιμή ακτίνων).– Hare test, latex*texanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).Καθώς η συγκέντρωση της Texanol αυξάνεται, απελευθερώνονται περισσότερα κύτταρα (Εικόνα 1c).σε σύγκριση με το S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Εικόνα 1δ).Επιπλέον, δεν υπήρχε στατιστική σχέση μεταξύ της Tg και της κυτταρικής προσκόλλησης των δύο στελεχών (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127, CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Και για τα δύο στελέχη, τα «σκληρά» πολυμερή λατέξ ήταν αναποτελεσματικά.Αντίθετα, τα 4Ν και 12Ν είχαν καλύτερες επιδόσεις έναντι του S. elongatus PCC 7942, ενώ τα 4S και 12S είχαν καλύτερα αποτελέσματα έναντι του CCAP 1479/1A (Εικ. 1e), αν και υπάρχει σαφώς χώρος για περαιτέρω βελτιστοποίηση της πολυμερούς μήτρας.Αυτά τα πολυμερή έχουν χρησιμοποιηθεί σε δοκιμές ημι-παρτίδας καθαρής πρόσληψης CO2.
Η φωτοφυσιολογία παρακολουθήθηκε για 7 ημέρες χρησιμοποιώντας κύτταρα εναιωρημένα σε υδατική σύνθεση λατέξ.Γενικά, τόσο ο φαινομενικός ρυθμός φωτοσύνθεσης (PS) όσο και η μέγιστη κβαντική απόδοση PSII (Fv/Fm) μειώνονται με το χρόνο, αλλά αυτή η μείωση είναι άνιση και ορισμένα σύνολα δεδομένων PS εμφανίζουν διφασική απόκριση, υποδηλώνοντας μερική απόκριση, αν και ανάκτηση σε πραγματικό χρόνο μικρότερη δραστηριότητα PS (Εικ. 2α και 3β).Η διφασική απόκριση Fv/Fm ήταν λιγότερο έντονη (Εικόνες 2b και 3b).
(α) Φαινόμενος ρυθμός φωτοσύνθεσης (PS) και (β) μέγιστη κβαντική απόδοση PSII (Fv/Fm) του Synechococcus elongatus PCC 7942 σε απόκριση σε σκευάσματα λατέξ σε σύγκριση με καλλιέργειες εναιωρήματος ελέγχου.Η αναλογία στυρολίου προς ακρυλικό βουτυλεστέρα είναι 1:3 για το «σκληρό» (Η) λατέξ, 1:1 για το «κανονικό» (N) και 3:1 για το «μαλακό» (S).Οι προηγούμενοι αριθμοί στον κωδικό λατέξ αντιστοιχούν στην περιεκτικότητα σε Texanol.(μέση ± τυπική απόκλιση, n = 3).
(α) Φαινόμενος ρυθμός φωτοσύνθεσης (PS) και (β) μέγιστη κβαντική απόδοση PSII (Fv/Fm) του Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A σε απόκριση σε σκευάσματα λατέξ σε σύγκριση με καλλιέργειες εναιωρήματος ελέγχου.Η αναλογία στυρολίου προς ακρυλικό βουτυλεστέρα είναι 1:3 για το «σκληρό» (Η) λατέξ, 1:1 για το «κανονικό» (N) και 3:1 για το «μαλακό» (S).Οι προηγούμενοι αριθμοί στον κωδικό λατέξ αντιστοιχούν στην περιεκτικότητα σε Texanol.(μέση ± τυπική απόκλιση, n = 3).
Για το S. elongatus PCC 7942, η σύνθεση λατέξ και η συγκέντρωση Texanol δεν επηρέασαν το PS με την πάροδο του χρόνου (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), αν και η σύνθεση ήταν ένας σημαντικός παράγοντας (GLM)., λατέξ*χρόνος, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Εικ. 2α).Δεν υπήρξε σημαντική επίδραση της συγκέντρωσης Texanol με την πάροδο του χρόνου (GLM, Texanol*time, DF=14, F=1,63, P=0,078).Υπήρξε σημαντική αλληλεπίδραση που επηρέασε το Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4,54, P=<0,001).Η αλληλεπίδραση μεταξύ του σκευάσματος λατέξ και της συγκέντρωσης τεξανόλης είχε σημαντική επίδραση στο Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Κάθε παράμετρος επηρεάζει επίσης το Fv/Fm με την πάροδο του χρόνου (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 και Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=< 0,001).Το Latex 12H διατήρησε τις χαμηλότερες μέσες τιμές PS και Fv/Fm (Εικ. 2β), υποδεικνύοντας ότι αυτό το πολυμερές είναι πιο τοξικό.
Το PS του S. elongatus CCAP 1479/1A ήταν σημαντικά διαφορετικό (GLM, latex * Texanol * χρόνος, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), με τη σύνθεση λατέξ και όχι τη συγκέντρωση Texanol (GLM, Latex*time, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*time, DF=14, F=1,26, P=0,239).Τα «μαλακά» πολυμερή 0S και 4S διατήρησαν ελαφρώς υψηλότερα επίπεδα απόδοσης PS από τα εναιωρήματα ελέγχου (Mann-Whitney U, 0S έναντι των μαρτύρων, W = 686,0, P = 0,044, 4S έναντι των μαρτύρων, W = 713, P = 0,01) και διατήρησαν βελτιωμένο Fv./Fm (Εικ. 3α) δείχνει πιο αποτελεσματική μεταφορά στο Photosystem II.Για τις τιμές Fv/Fm των κυττάρων CCAP 1479/1A, υπήρξε σημαντική διαφορά λατέξ με την πάροδο του χρόνου (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Εικόνα 3β).).
Στο σχ.Το Σχήμα 4 δείχνει τον μέσο όρο PS και Fv/Fm σε περίοδο 7 ημερών ως συνάρτηση της κυτταρικής ανάπτυξης για κάθε στέλεχος.Το S. elongatus PCC 7942 δεν είχε ξεκάθαρο μοτίβο (Εικ. 4a και b), ωστόσο, το CCAP 1479/1A έδειξε μια παραβολική σχέση μεταξύ των τιμών PS (Εικ. 4c) και Fv/Fm (Εικ. 4d) ως Οι αναλογίες στυρενίου και ακρυλικού βουτυλίου αυξάνονται με την αλλαγή.
Σχέση ανάπτυξης και φωτοφυσιολογίας του Synechococcus longum σε παρασκευάσματα λατέξ.(α) Δεδομένα τοξικότητας που απεικονίζονται σε γραφική παράσταση έναντι του φαινομένου φωτοσυνθετικού ρυθμού (PS), (β) μέγιστη κβαντική απόδοση PSII (Fv/Fm) του PCC 7942. γ Δεδομένα τοξικότητας που σχεδιάζονται έναντι PS και d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Η αναλογία στυρολίου προς ακρυλικό βουτυλεστέρα είναι 1:3 για το «σκληρό» (Η) λατέξ, 1:1 για το «κανονικό» (N) και 3:1 για το «μαλακό» (S).Οι προηγούμενοι αριθμοί στον κωδικό λατέξ αντιστοιχούν στην περιεκτικότητα σε Texanol.(μέση ± τυπική απόκλιση, n = 3).
Το βιοσύνθετο PCC 7942 είχε περιορισμένη επίδραση στην κατακράτηση κυττάρων με σημαντική έκπλυση κυττάρων κατά τις πρώτες τέσσερις εβδομάδες (Εικόνα 5).Μετά την αρχική φάση της πρόσληψης CO2, τα κύτταρα που στερεώθηκαν με λάτεξ 12 Ν άρχισαν να απελευθερώνουν CO2 και αυτό το μοτίβο παρέμεινε μεταξύ 4 και 14 ημερών (Εικ. 5β).Αυτά τα δεδομένα συμφωνούν με παρατηρήσεις αποχρωματισμού χρωστικών.Η καθαρή πρόσληψη CO2 ξεκίνησε ξανά από την ημέρα 18. Παρά την απελευθέρωση κυττάρων (Εικ. 5a), το βιοσύνθετο PCC 7942 12 N συσσώρευσε ακόμα περισσότερο CO2 από το εναιώρημα ελέγχου σε διάστημα 28 ημερών, αν και ελαφρώς (Mann-Whitney U-test, W = 2275,5; P = 0,066).Ο ρυθμός απορρόφησης CO2 από λατέξ 12 N και 4 N είναι 0,51 ± 0,34 και 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 βιομάζας d-1.Υπήρξε στατιστικά σημαντική διαφορά μεταξύ των επιπέδων θεραπείας και του χρόνου (Chairer-Ray-Hare test, θεραπεία: DF=2, H=70,62, P=<0,001 χρόνος: DF=13, H=23,63, P=0,034), αλλά δεν ήταν.υπήρχε σημαντική σχέση θεραπείας και χρόνου (Chairer-Ray-Har test, time*treatment: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Δοκιμές πρόσληψης CO2 μισής παρτίδας σε βιοσύνθετα Synechococcus elongatus PCC 7942 χρησιμοποιώντας λάτεξ 4Ν και 12Ν.(α) Οι εικόνες δείχνουν απελευθέρωση κυττάρων και αποχρωματισμό της χρωστικής, καθώς και εικόνες SEM του βιοσύνθετου υλικού πριν και μετά τη δοκιμή.Οι λευκές διακεκομμένες γραμμές υποδεικνύουν τις θέσεις εναπόθεσης κυττάρων στο βιοσύνθετο.(β) Σωρευτική καθαρή πρόσληψη CO2 σε περίοδο τεσσάρων εβδομάδων.Το "κανονικό" (Ν) λατέξ έχει αναλογία στυρολίου προς ακρυλικό βουτυλεστέρα 1:1.Οι προηγούμενοι αριθμοί στον κωδικό λατέξ αντιστοιχούν στην περιεκτικότητα σε Texanol.(μέση ± τυπική απόκλιση, n = 3).
Η κατακράτηση κυττάρων βελτιώθηκε σημαντικά για το στέλεχος CCAP 1479/1A με 4S και 12S, αν και η χρωστική ουσία άλλαξε αργά χρώμα με την πάροδο του χρόνου (Εικ. 6a).Το Biocomposite CCAP 1479/1A απορροφά CO2 για 84 ημέρες (12 εβδομάδες) χωρίς πρόσθετα συμπληρώματα διατροφής.Η ανάλυση SEM (Εικ. 6α) επιβεβαίωσε την οπτική παρατήρηση της αποκόλλησης μικρών κυττάρων.Αρχικά, τα κύτταρα εγκλωβίστηκαν σε μια επικάλυψη λατέξ που διατήρησε την ακεραιότητά της παρά την κυτταρική ανάπτυξη.Ο ρυθμός πρόσληψης CO2 ήταν σημαντικά υψηλότερος από την ομάδα ελέγχου (δοκιμή Scheirer-Ray-Har, θεραπεία: DF=2, H=240,59, P=<0,001, χρόνος: DF=42, H=112, P=<0,001) ( Εικ. 6β).Το βιοσύνθετο 12S πέτυχε την υψηλότερη πρόσληψη CO2 (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 βιομάζα την ημέρα), ενώ το λάτεξ 4S ήταν 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 βιομάζα την ημέρα, αλλά δεν διέφεραν σημαντικά (Mann-Whitney U δοκιμή, W = 1507,50, P = 0,07) και καμία σημαντική αλληλεπίδραση μεταξύ θεραπείας και χρόνου (δοκιμή Shirer-Rey-Hara, χρόνος * θεραπεία: DF = 82, H = 10,37, P = 1,000).
Δοκιμή πρόσληψης CO2 μισής παρτίδας χρησιμοποιώντας βιοσύνθετα Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A με λάτεξ 4Ν και 12Ν.(α) Οι εικόνες δείχνουν απελευθέρωση κυττάρων και αποχρωματισμό της χρωστικής, καθώς και εικόνες SEM του βιοσύνθετου υλικού πριν και μετά τη δοκιμή.Οι λευκές διακεκομμένες γραμμές υποδεικνύουν τις θέσεις εναπόθεσης κυττάρων στο βιοσύνθετο.(β) Σωρευτική καθαρή πρόσληψη CO2 κατά την περίοδο των δώδεκα εβδομάδων.Το «μαλακό» (S) λατέξ έχει αναλογία στυρολίου προς ακρυλικό βουτυλεστέρα 1:1.Οι προηγούμενοι αριθμοί στον κωδικό λατέξ αντιστοιχούν στην περιεκτικότητα σε Texanol.(μέση ± τυπική απόκλιση, n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (δοκιμή Shirer-Ray-Har, χρόνος*θεραπεία: DF=4, H=3.243, P=0.518) ή βιοσύνθετο S. elongatus CCAP 1479/1A (two-ANOVA, χρόνος*θεραπεία: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (Εικ. S4).Το Biocomposite PCC 7942 είχε την υψηλότερη περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες την εβδομάδα 2 (4 N = 59,4 ± 22,5 wt%, 12 N = 67,9 ± 3,3 wt%), ενώ το εναιώρημα ελέγχου είχε την υψηλότερη περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες την εβδομάδα 4 όταν (έλεγχος = 59,6% ± 28). w/w).Η συνολική περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες του βιοσύνθετου CCAP 1479/1A ήταν συγκρίσιμη με το εναιώρημα ελέγχου, εκτός από την έναρξη της δοκιμής, με κάποιες αλλαγές στο λάτεξ 12S την εβδομάδα 4. Οι υψηλότερες τιμές για το βιοσύνθετο ήταν 51,9 ± 9,6 wt% για 4S και 77,1 ± 17,0 wt% για 12S.
Ξεκινήσαμε να επιδείξουμε δυνατότητες σχεδιασμού για τη βελτίωση της δομικής ακεραιότητας των επικαλύψεων πολυμερούς λατέξ λεπτής μεμβράνης ως σημαντικό συστατικό της ιδέας του βιοσύνθετου μιμητικού λειχήνα χωρίς να θυσιάζεται η βιοσυμβατότητα ή η απόδοση.Πράγματι, εάν ξεπεραστούν οι δομικές προκλήσεις που σχετίζονται με την κυτταρική ανάπτυξη, αναμένουμε σημαντικές βελτιώσεις απόδοσης σε σχέση με τα πειραματικά βιοσύνθετα υλικά μας, τα οποία είναι ήδη συγκρίσιμα με άλλα συστήματα δέσμευσης άνθρακα κυανοβακτηρίων και μικροφυκών.
Οι επικαλύψεις πρέπει να είναι μη τοξικές, ανθεκτικές, να υποστηρίζουν τη μακροχρόνια πρόσφυση των κυττάρων και να είναι πορώδεις για να προάγουν την αποτελεσματική μεταφορά μάζας CO2 και την απαέρωση του O2.Τα ακρυλικά πολυμερή τύπου λατέξ παρασκευάζονται εύκολα και χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία χρωμάτων, κλωστοϋφαντουργίας και κόλλας30.Συνδυάσαμε κυανοβακτήρια με γαλάκτωμα πολυμερούς ακρυλικού λατέξ με βάση το νερό πολυμερισμένο με συγκεκριμένη αναλογία σωματιδίων στυρολίου/ακρυλικού βουτυλίου και διάφορες συγκεντρώσεις Texanol.Το στυρένιο και ο ακρυλικός βουτυλεστέρας επιλέχθηκαν για να μπορούν να ελέγχουν τις φυσικές ιδιότητες, ιδιαίτερα την ελαστικότητα και την αποτελεσματικότητα συνένωσης της επικάλυψης (κρίσιμης σημασίας για μια ισχυρή και υψηλής πρόσφυσης επίστρωση), επιτρέποντας τη σύνθεση «σκληρών» και «μαλακών» συσσωματωμάτων σωματιδίων.Τα δεδομένα τοξικότητας υποδηλώνουν ότι το «σκληρό» λατέξ με υψηλή περιεκτικότητα σε στυρένιο δεν ευνοεί την επιβίωση των κυανοβακτηρίων.Σε αντίθεση με τον ακρυλικό βουτυλεστέρα, το στυρόλιο θεωρείται τοξικό για τα φύκια32,33.Τα στελέχη κυανοβακτηρίων αντέδρασαν αρκετά διαφορετικά στο λατέξ και η βέλτιστη θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg) προσδιορίστηκε για το S. elongatus PCC 7942, ενώ το S. elongatus CCAP 1479/1A έδειξε αρνητική γραμμική σχέση με το Tg.
Η θερμοκρασία στεγνώματος επηρεάζει την ικανότητα σχηματισμού ενός συνεχούς ομοιόμορφου φιλμ λατέξ.Εάν η θερμοκρασία ξήρανσης είναι χαμηλότερη από την ελάχιστη θερμοκρασία σχηματισμού φιλμ (MFFT), τα σωματίδια πολυμερούς λατέξ δεν θα συγχωνευθούν πλήρως, με αποτέλεσμα την πρόσφυση μόνο στη διεπιφάνεια των σωματιδίων.Τα φιλμ που προκύπτουν έχουν κακή πρόσφυση και μηχανική αντοχή και μπορεί να είναι ακόμη και σε μορφή σκόνης29.Το MFFT σχετίζεται στενά με το Tg, το οποίο μπορεί να ελεγχθεί με τη σύνθεση μονομερούς και την προσθήκη συστατικών όπως η Texanol.Το Tg καθορίζει πολλές από τις φυσικές ιδιότητες της προκύπτουσας επικάλυψης, η οποία μπορεί να είναι σε ελαστική ή υαλώδη κατάσταση34.Σύμφωνα με την εξίσωση Flory-Fox35, η Tg εξαρτάται από τον τύπο του μονομερούς και τη σχετική ποσοστιαία σύνθεση.Η προσθήκη συσσωματώματος μπορεί να μειώσει το MFFT με διακοπτόμενη καταστολή της Tg των σωματιδίων λατέξ, η οποία επιτρέπει το σχηματισμό φιλμ σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, αλλά εξακολουθεί να σχηματίζει μια σκληρή και ισχυρή επίστρωση επειδή το συσσωμάτωμα εξατμίζεται αργά με την πάροδο του χρόνου ή έχει εκχυλιστεί 36 .
Η αύξηση της συγκέντρωσης της Texanol προάγει το σχηματισμό φιλμ μαλακώνοντας τα σωματίδια του πολυμερούς (μειώνοντας το Tg) λόγω της απορρόφησης από τα σωματίδια κατά την ξήρανση, αυξάνοντας έτσι την αντοχή του συνεκτικού φιλμ και την προσκόλληση των κυττάρων.Επειδή το βιοσύνθετο ξηραίνεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (~18–20°C), η Tg (30 έως 55°C) του «σκληρού» λατέξ είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία ξήρανσης, πράγμα που σημαίνει ότι η συνένωση σωματιδίων μπορεί να μην είναι βέλτιστη, με αποτέλεσμα Οι μεμβράνες Β που παραμένουν υαλώδεις, οι κακές μηχανικές και συγκολλητικές ιδιότητες, η περιορισμένη ελαστικότητα και η διαχυτικότητα30 οδηγούν τελικά σε μεγαλύτερη απώλεια κυττάρων.Ο σχηματισμός μεμβράνης από "κανονικά" και "μαλακά" πολυμερή συμβαίνει στο ή κάτω από το Tg του πολυμερούς φιλμ και ο σχηματισμός φιλμ βελτιώνεται με βελτιωμένη συνένωση, με αποτέλεσμα συνεχή πολυμερή φιλμ με βελτιωμένες μηχανικές, συνεκτικές και συγκολλητικές ιδιότητες.Η προκύπτουσα μεμβράνη θα παραμείνει ελαστική κατά τη διάρκεια των πειραμάτων δέσμευσης CO2 λόγω του ότι η Tg της είναι κοντά στο («κανονικό» μείγμα: 12 έως 20 ºC) ή πολύ χαμηλότερο («μαλακό» μείγμα: -21 έως -13 °C) στη θερμοκρασία περιβάλλοντος 30 .Το «σκληρό» λατέξ (3,4 έως 2,9 kgf mm–1) είναι τρεις φορές πιο σκληρό από το «κανονικό» λατέξ (1,0 έως 0,9 kgf mm–1).Η σκληρότητα των «μαλακών» λατέξ δεν μπορεί να μετρηθεί με μικροσκληρότητα λόγω της υπερβολικής ελαστικότητάς τους και κολλώδους τους σε θερμοκρασία δωματίου.Το επιφανειακό φορτίο μπορεί επίσης να επηρεάσει τη συγγένεια πρόσφυσης, αλλά χρειάζονται περισσότερα δεδομένα για την παροχή ουσιαστικών πληροφοριών.Ωστόσο, όλα τα λατέξ διατήρησαν αποτελεσματικά τα κύτταρα, απελευθερώνοντας λιγότερο από 1%.
Η παραγωγικότητα της φωτοσύνθεσης μειώνεται με την πάροδο του χρόνου.Η έκθεση στο πολυστυρένιο οδηγεί σε διάσπαση της μεμβράνης και οξειδωτικό στρες38,39,40,41.Οι τιμές Fv/Fm του S. elongatus CCAP 1479/1A που εκτέθηκε σε 0S και 4S ήταν σχεδόν διπλάσιες σε σύγκριση με τον έλεγχο ανάρτησης, ο οποίος συμφωνεί καλά με τον ρυθμό πρόσληψης CO2 του βιοσύνθετου υλικού 4S, καθώς και με χαμηλότερες μέσες τιμές PS.αξίες.Οι υψηλότερες τιμές Fv/Fm υποδεικνύουν ότι η μεταφορά ηλεκτρονίων στο PSII μπορεί να παραδώσει περισσότερα φωτόνια42, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε υψηλότερους ρυθμούς δέσμευσης CO2.Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα φωτοφυσιολογικά δεδομένα ελήφθησαν από κύτταρα εναιωρημένα σε υδατικά διαλύματα λατέξ και μπορεί να μην είναι απαραίτητα άμεσα συγκρίσιμα με ώριμα βιοσύνθετα.
Εάν το λατέξ δημιουργεί φραγμό στην ανταλλαγή φωτός ή/και αερίων με αποτέλεσμα περιορισμό του φωτός και του CO2, μπορεί να προκαλέσει κυτταρικό στρες και να μειώσει την απόδοση, και εάν επηρεάζει την απελευθέρωση O2, φωτοαναπνοή39.Η μετάδοση φωτός των σκληρυμένων επικαλύψεων αξιολογήθηκε: το "σκληρό" λατέξ έδειξε ελαφρά μείωση στη μετάδοση του φωτός μεταξύ 440 και 480 nm (βελτιώθηκε εν μέρει με την αύξηση της συγκέντρωσης Texanol λόγω βελτιωμένης συνένωσης του φιλμ), ενώ το "μαλακό" και "κανονικό Το λάτεξ έδειξε ελαφρά μείωση στη μετάδοση του φωτός.δεν παρουσιάζει αξιοσημείωτη απώλεια απώλειας.Οι δοκιμασίες, καθώς και όλες οι επωάσεις, πραγματοποιήθηκαν σε χαμηλή ένταση φωτός (30,5 μmol m-2 s-1), επομένως οποιαδήποτε φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία λόγω της πολυμερούς μήτρας θα αντισταθμιστεί και μπορεί ακόμη και να είναι χρήσιμη στην πρόληψη της φωτοαναστολής.σε καταστροφικές εντάσεις φωτός.
Το Biocomposite CCAP 1479/1A λειτούργησε κατά τη διάρκεια των 84 ημερών δοκιμών, χωρίς ανακύκλωση θρεπτικών συστατικών ή σημαντική απώλεια βιομάζας, κάτι που αποτελεί βασικό στόχο της μελέτης.Η αποχρωματοποίηση των κυττάρων μπορεί να συσχετιστεί με μια διαδικασία χλώρωσης ως απόκριση της πείνας με άζωτο για την επίτευξη μακροπρόθεσμης επιβίωσης (κατάσταση ηρεμίας), η οποία μπορεί να βοηθήσει τα κύτταρα να επαναλάβουν την ανάπτυξη αφού έχει επιτευχθεί επαρκής συσσώρευση αζώτου.Οι εικόνες SEM επιβεβαίωσαν ότι τα κύτταρα παρέμειναν μέσα στην επικάλυψη παρά την κυτταρική διαίρεση, αποδεικνύοντας την ελαστικότητα του «μαλακού» λατέξ και έτσι δείχνουν ένα σαφές πλεονέκτημα σε σχέση με την πειραματική έκδοση.Το «μαλακό» λατέξ περιέχει περίπου 70% ακρυλικό βουτύλιο (κατά βάρος), το οποίο είναι πολύ υψηλότερο από την αναφερόμενη συγκέντρωση για μια εύκαμπτη επίστρωση μετά το στέγνωμα44.
Η καθαρή πρόσληψη CO2 ήταν σημαντικά υψηλότερη από αυτή του εναιωρήματος ελέγχου (14–20 και 3–8 φορές υψηλότερη για το S. elongatus CCAP 1479/1A και PCC 7942, αντίστοιχα).Προηγουμένως, χρησιμοποιούσαμε ένα μοντέλο μεταφοράς μάζας CO2 για να δείξουμε ότι ο κύριος μοχλός της υψηλής πρόσληψης CO2 είναι μια έντονη κλίση συγκέντρωσης CO2 στην επιφάνεια του βιοσύνθετου υλικού31 και ότι η απόδοση του βιοσύνθετου μπορεί να περιοριστεί από την αντίσταση στη μεταφορά μάζας.Αυτό το πρόβλημα μπορεί να ξεπεραστεί με την ενσωμάτωση μη τοξικών συστατικών που δεν σχηματίζουν φιλμ στο λάτεξ για να αυξηθεί το πορώδες και η διαπερατότητα της επικάλυψης26, αλλά η διατήρηση των κυττάρων μπορεί να τεθεί σε κίνδυνο καθώς αυτή η στρατηγική αναπόφευκτα θα οδηγήσει σε ασθενέστερη μεμβράνη20.Η χημική σύσταση μπορεί να αλλάξει κατά τον πολυμερισμό για να αυξηθεί το πορώδες, που είναι η καλύτερη επιλογή, ιδίως όσον αφορά τη βιομηχανική παραγωγή και την επεκτασιμότητα45.
Η απόδοση του νέου βιοσύνθετου σε σύγκριση με πρόσφατες μελέτες που χρησιμοποιούν βιοσύνθετα από μικροφύκη και κυανοβακτήρια έδειξε πλεονεκτήματα στην προσαρμογή του ρυθμού φόρτωσης των κυττάρων (Πίνακας 1)21,46 και με μεγαλύτερους χρόνους ανάλυσης (84 ημέρες έναντι 15 ωρών46 και 3 εβδομάδες21).
Η ογκομετρική περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες στα κύτταρα συγκρίνεται ευνοϊκά με άλλες μελέτες47,48,49,50 με χρήση κυανοβακτηρίων και χρησιμοποιείται ως πιθανό κριτήριο για εφαρμογές δέσμευσης και χρήσης/ανάκτησης άνθρακα, όπως για διαδικασίες ζύμωσης BECCS49,51 ή για την παραγωγή βιοαποδομήσιμων βιοπλαστικά52 .Ως μέρος του σκεπτικού αυτής της μελέτης, υποθέτουμε ότι η δάσωση, ακόμη και αν ληφθεί υπόψη στην έννοια των αρνητικών εκπομπών BECCS, δεν αποτελεί πανάκεια για την κλιματική αλλαγή και καταναλώνει ανησυχητικό μερίδιο της καλλιεργήσιμης γης του κόσμου6.Ως σκεπτικό πείραμα, υπολογίστηκε ότι μεταξύ 640 και 950 GtCO2 θα πρέπει να αφαιρεθούν από την ατμόσφαιρα έως το 2100 για να περιοριστεί η αύξηση της παγκόσμιας θερμοκρασίας στους 1,5°C53 (περίπου 8 έως 12 GtCO2 ετησίως).Για να επιτευχθεί αυτό με ένα βιοσύνθετο με καλύτερη απόδοση (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 βιομάζα ετησίως-1) θα απαιτούσε επέκταση όγκου από 5,5 × 1010 σε 8,2 × 1010 m3 (με συγκρίσιμη φωτοσυνθετική απόδοση), που περιέχει από 29 δισεκατομμύρια λίτρα έως 21 δισεκατομμύρια λίτρα. πολυμερές.Υποθέτοντας ότι 1 m3 βιοσύνθετων καταλαμβάνει 1 m2 γης, η έκταση που απαιτείται για την απορρόφηση του στόχου ετήσιου συνολικού CO2 θα είναι μεταξύ 5,5 και 8,17 εκατομμύρια εκτάρια, που ισοδυναμεί με 0,18-0,27% της κατάλληλης για τη ζωή των εδαφών στην τροπικές περιοχές και να μειώσουν την έκταση της γης.ανάγκη για BECCS κατά 98-99%.Πρέπει να σημειωθεί ότι η θεωρητική αναλογία δέσμευσης βασίζεται στην απορρόφηση CO2 που καταγράφεται σε χαμηλό φωτισμό.Μόλις το βιοσύνθετο εκτεθεί σε πιο έντονο φυσικό φως, ο ρυθμός πρόσληψης CO2 αυξάνεται, μειώνοντας περαιτέρω τις απαιτήσεις γης και στρέφοντας την κλίμακα περισσότερο προς την ιδέα του βιοσύνθετου υλικού.Ωστόσο, η υλοποίηση πρέπει να είναι στον ισημερινό για σταθερή ένταση και διάρκεια οπίσθιου φωτισμού.
Η παγκόσμια επίδραση της λίπανσης CO2, δηλαδή η αύξηση της παραγωγικότητας της βλάστησης που προκαλείται από την αυξημένη διαθεσιμότητα CO2, έχει μειωθεί στις περισσότερες χερσαίες εκτάσεις, πιθανώς λόγω αλλαγών στα βασικά θρεπτικά συστατικά του εδάφους (N και P) και στους υδάτινους πόρους7.Αυτό σημαίνει ότι η επίγεια φωτοσύνθεση μπορεί να μην οδηγήσει σε αύξηση της πρόσληψης CO2, παρά τις αυξημένες συγκεντρώσεις CO2 στον αέρα.Σε αυτό το πλαίσιο, οι επίγειες στρατηγικές μετριασμού της κλιματικής αλλαγής, όπως το BECCS, είναι ακόμη λιγότερο πιθανό να επιτύχουν.Εάν επιβεβαιωθεί αυτό το παγκόσμιο φαινόμενο, το βιοσύνθετό μας εμπνευσμένο από λειχήνες θα μπορούσε να αποτελέσει βασικό πλεονέκτημα, μετατρέποντας μονοκύτταρα υδρόβια φωτοσυνθετικά μικρόβια σε «εδαφικούς παράγοντες».Τα περισσότερα χερσαία φυτά σταθεροποιούν το CO2 μέσω της φωτοσύνθεσης C3, ενώ τα φυτά C4 είναι πιο ευνοϊκά για θερμότερους, ξηρότερους οικοτόπους και είναι πιο αποτελεσματικά σε υψηλότερες μερικές πιέσεις CO254.Τα κυανοβακτήρια προσφέρουν μια εναλλακτική λύση που θα μπορούσε να αντισταθμίσει τις ανησυχητικές προβλέψεις για μειωμένη έκθεση σε διοξείδιο του άνθρακα στα φυτά C3.Τα κυανοβακτήρια έχουν ξεπεράσει τους φωτοαναπνευστικούς περιορισμούς αναπτύσσοντας έναν αποτελεσματικό μηχανισμό εμπλουτισμού άνθρακα στον οποίο παρουσιάζονται υψηλότερες μερικές πιέσεις CO2 και διατηρούνται από τη ριβουλόζη-1,5-διφωσφορική καρβοξυλάση/οξυγενάση (RuBisCo) μέσα στα καρβοξυσώματα γύρω.Εάν η παραγωγή κυανοβακτηριακών βιοσύνθετων μπορεί να αυξηθεί, αυτό θα μπορούσε να γίνει ένα σημαντικό όπλο για την ανθρωπότητα στον αγώνα κατά της κλιματικής αλλαγής.
Τα βιοσύνθετα (μιμητικά λειχήνων) προσφέρουν σαφή πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές καλλιέργειες εναιωρήματος μικροφυκών και κυανοβακτηρίων, παρέχοντας υψηλότερους ρυθμούς πρόσληψης CO2, ελαχιστοποιώντας τους κινδύνους ρύπανσης και υποσχόμενη ανταγωνιστική αποφυγή CO2.Το κόστος μειώνει σημαντικά τη χρήση γης, νερού και θρεπτικών ουσιών56.Αυτή η μελέτη καταδεικνύει τη σκοπιμότητα ανάπτυξης και κατασκευής βιοσυμβατού λατέξ υψηλής απόδοσης που, όταν συνδυάζεται με ένα σφουγγάρι λούφα ως υποψήφιο υπόστρωμα, μπορεί να προσφέρει αποτελεσματική και αποτελεσματική πρόσληψη CO2 σε μήνες χειρουργικής επέμβασης, διατηρώντας παράλληλα την απώλεια κυττάρων στο ελάχιστο.Τα βιοσύνθετα θα μπορούσαν θεωρητικά να δεσμεύσουν περίπου 570 τόνους CO2 t-1 βιομάζας ετησίως και μπορεί να αποδειχθούν πιο σημαντικά από τις στρατηγικές δάσωσης BECCS στην απόκρισή μας στην κλιματική αλλαγή.Με περαιτέρω βελτιστοποίηση της σύνθεσης του πολυμερούς, δοκιμές σε υψηλότερες εντάσεις φωτός και σε συνδυασμό με περίτεχνη μεταβολική μηχανική, οι αρχικοί βιογεωμηχανικοί της φύσης μπορούν και πάλι να έρθουν στη διάσωση.
Τα πολυμερή ακρυλικού λατέξ παρασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας ένα μίγμα μονομερών στυρολίου, ακρυλικού βουτυλεστέρα και ακρυλικού οξέος και το ρΗ ρυθμίστηκε στο 7 με 0,1 Μ υδροξείδιο του νατρίου (πίνακας 2).Το στυρένιο και ο ακρυλικός βουτυλεστέρας αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος των πολυμερών αλυσίδων, ενώ το ακρυλικό οξύ βοηθά στη διατήρηση των σωματιδίων λατέξ σε εναιώρημα57.Οι δομικές ιδιότητες του λατέξ καθορίζονται από τη θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg), η οποία ελέγχεται με την αλλαγή της αναλογίας στυρενίου και ακρυλικού βουτυλεστέρα, η οποία παρέχει «σκληρές» και «μαλακές» ιδιότητες, αντίστοιχα58.Ένα τυπικό ακρυλικό πολυμερές λατέξ είναι 50:50 στυρόλιο: ακρυλικός βουτυλεστέρας 30, επομένως σε αυτή τη μελέτη το λατέξ με αυτή την αναλογία αναφέρεται ως «κανονικό» λατέξ και το λατέξ με υψηλότερη περιεκτικότητα σε στυρένιο αναφέρεται ως λατέξ με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε στυρένιο. .ονομάζεται «μαλακό» ως «σκληρό».
Ένα πρωτογενές γαλάκτωμα παρασκευάστηκε χρησιμοποιώντας απεσταγμένο νερό (174 g), διττανθρακικό νάτριο (0,5 g) και επιφανειοδραστικό Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) για τη σταθεροποίηση των 30 σταγονιδίων μονομερούς.Χρησιμοποιώντας μια γυάλινη σύριγγα (Science Glass Engineering) με αντλία σύριγγας, προστέθηκε στάγδην ένα δευτερεύον δείγμα που περιέχει στυρένιο, ακρυλικό βουτύλιο και ακρυλικό οξύ που αναφέρονται στον Πίνακα 2 με ρυθμό 100 ml h-1 στο πρωτογενές γαλάκτωμα για 4 ώρες (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Παρασκευάστε ένα διάλυμα εκκινητή πολυμερισμού 59 χρησιμοποιώντας dHO και υπερθειικό αμμώνιο (100 ml, 3% β/β).
Αναδεύστε το διάλυμα που περιέχει dHO (206 g), διττανθρακικό νάτριο (1 g) και Rhodapex Ab/20 (4,42 g) χρησιμοποιώντας έναν αναδευτήρα (τιμή Heidolph Hei-TORQUE 100) με έλικα από ανοξείδωτο χάλυβα και θερμαίνετε στους 82 °C σε δοχείο με μανδύα νερού σε θερμαινόμενο λουτρό νερού VWR Scientific 1137P.Ένα διάλυμα μειωμένου βάρους μονομερούς (28,21 g) και εκκινητή (20,60 g) προστέθηκε στάγδην στο δοχείο με μανδύα και αναδεύτηκε για 20 λεπτά.Αναμίξτε έντονα το υπόλοιπο μονομερές (150 ml h-1) και διαλύματα εκκινητή (27 ml h-1) για να διατηρηθούν τα σωματίδια σε εναιώρημα έως ότου προστεθούν στο χιτώνιο νερού για 5 ώρες χρησιμοποιώντας σύριγγες 10 ml και 100 ml αντίστοιχα σε δοχείο .συμπληρώνεται με αντλία σύριγγας.Η ταχύτητα του αναδευτήρα αυξήθηκε λόγω της αύξησης του όγκου του πολτού για να εξασφαλιστεί η συγκράτηση του πολτού.Μετά την προσθήκη του εναρκτήρα και του γαλακτώματος, η θερμοκρασία της αντίδρασης αυξήθηκε στους 85°C, αναδεύτηκε καλά στις 450 rpm για 30 λεπτά, και στη συνέχεια ψύχθηκε στους 65°C.Μετά από ψύξη, προστέθηκαν δύο διαλύματα εκτόπισης στο λάτεξ: υδροϋπεροξείδιο τριτ-βουτυλίου (t-BHP) (70% σε νερό) (5 g, 14% κατά βάρος) και ισοασκορβικό οξύ (5 g, 10% κατά βάρος)..Προσθέστε το t-BHP σταγόνα-σταγόνα και αφήστε το για 20 λεπτά.Στη συνέχεια προστέθηκε ερυθορβικό οξύ με ρυθμό 4 ml/h από σύριγγα 10 ml χρησιμοποιώντας αντλία σύριγγας.Το διάλυμα λατέξ στη συνέχεια ψύχθηκε σε θερμοκρασία δωματίου και ρυθμίστηκε σε ρΗ 7 με 0,1 Μ υδροξείδιο του νατρίου.
Μονοϊσοβουτυρική 2,2,4-Τριμεθυλ-1,3-πεντανοδιόλη (Texanol) – βιοαποικοδομήσιμο χαμηλής τοξικότητας για χρώματα λατέξ 37,60 – προστέθηκε με σύριγγα και αντλία σε τρεις όγκους (0, 4, 12% v/v) ως παράγοντας συγχώνευσης για το μίγμα λατέξ για τη διευκόλυνση του σχηματισμού φιλμ κατά την ξήρανση37.Το ποσοστό στερεών λατέξ προσδιορίστηκε τοποθετώντας 100 μΐ από κάθε πολυμερές σε προζυγισμένα πώματα από φύλλο αλουμινίου και ξήρανση σε φούρνο στους 100°C για 24 ώρες.
Για μετάδοση φωτός, κάθε μίγμα λατέξ εφαρμόστηκε σε μια αντικειμενοφόρο πλάκα μικροσκοπίου χρησιμοποιώντας έναν κύβο σταγόνας από ανοξείδωτο χάλυβα που βαθμονομήθηκε για να παράγει φιλμ 100 μm και ξηράνθηκε στους 20°C για 48 ώρες.Η μετάδοση φωτός (επικεντρωμένη στη φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία, λ 400–700 nm) μετρήθηκε σε φασματοραδιόμετρο ILT950 SpectriLight με αισθητήρα σε απόσταση 35 cm από λάμπα φθορισμού 30 W (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – όπου το φως πηγή ήταν τα κυανοβακτήρια και οι οργανισμοί Διατηρούνται σύνθετα υλικά.Το λογισμικό SpectrILight III έκδοση 3.5 χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή του φωτισμού και της μετάδοσης στην περιοχή λ 400–700 nm61.Όλα τα δείγματα τοποθετήθηκαν στην κορυφή του αισθητήρα και χρησιμοποιήθηκαν μη επικαλυμμένες γυάλινες πλάκες ως μάρτυρες.
Δείγματα λατέξ προστέθηκαν σε ένα ταψί ψησίματος σιλικόνης και αφέθηκαν να στεγνώσουν για 24 ώρες πριν δοκιμαστούν για σκληρότητα.Τοποθετήστε το αποξηραμένο δείγμα λατέξ σε ένα χαλύβδινο πώμα κάτω από μικροσκόπιο x10.Μετά την εστίαση, τα δείγματα αξιολογήθηκαν σε ελεγκτή μικροσκληρότητας Buehler Micromet II.Το δείγμα υποβλήθηκε σε δύναμη από 100 έως 200 γραμμάρια και ο χρόνος φόρτωσης ορίστηκε στα 7 δευτερόλεπτα για να δημιουργηθεί ένα βαθούλωμα διαμαντιού στο δείγμα.Η εκτύπωση αναλύθηκε χρησιμοποιώντας αντικειμενικό μικροσκόπιο Bruker Alicona × 10 με πρόσθετο λογισμικό μέτρησης σχήματος.Ο τύπος σκληρότητας Vickers (Εξίσωση 1) χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της σκληρότητας κάθε λατέξ, όπου HV είναι ο αριθμός Vickers, F είναι η εφαρμοζόμενη δύναμη και d είναι ο μέσος όρος των διαγωνίων εσοχής που υπολογίζονται από το ύψος και το πλάτος του λατέξ.τιμή εσοχής.Το "μαλακό" λατέξ δεν μπορεί να μετρηθεί λόγω πρόσφυσης και τάνυσης κατά τη διάρκεια της δοκιμής εσοχής.
Για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης (Tg) της σύνθεσης λατέξ, τα δείγματα πολυμερούς τοποθετήθηκαν σε δίσκους πυριτικής πηκτής, ξηράνθηκαν για 24 ώρες, ζυγίστηκαν στα 0,005 g και τοποθετήθηκαν σε δίσκους δειγμάτων.Το πιάτο καλύφθηκε και τοποθετήθηκε σε χρωματόμετρο διαφορικής σάρωσης (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, λογισμικό ανάλυσης δεδομένων Pyris)62.Η μέθοδος ροής θερμότητας χρησιμοποιείται για την τοποθέτηση κυπέλλων αναφοράς και δειγμάτων στον ίδιο φούρνο με ενσωματωμένο αισθητήρα θερμοκρασίας για τη μέτρηση της θερμοκρασίας.Συνολικά δύο ράμπες χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία μιας συνεπούς καμπύλης.Η μέθοδος του δείγματος αυξήθηκε επανειλημμένα από -20°C στους 180°C με ρυθμό 20°C ανά λεπτό.Κάθε σημείο έναρξης και λήξης αποθηκεύεται για 1 λεπτό για να ληφθεί υπόψη η καθυστέρηση θερμοκρασίας.
Για να αξιολογηθεί η ικανότητα του βιοσύνθετου να απορροφά CO2, παρασκευάστηκαν δείγματα και δοκιμάστηκαν με τον ίδιο τρόπο όπως και στην προηγούμενη μελέτη μας31.Το αποξηραμένο και αποστειρωμένο σε αυτόκλειστο ύφασμα κόπηκε σε λωρίδες περίπου 1 × 1 × 5 cm και ζυγίστηκε.Εφαρμόστε 600 µl από τις δύο πιο αποτελεσματικές βιοεπικαλύψεις κάθε στελέχους κυανοβακτηρίων στο ένα άκρο κάθε λωρίδας λούφα, καλύπτοντας περίπου 1 × 1 × 3 cm, και στεγνώστε στο σκοτάδι στους 20°C για 24 ώρες.Λόγω της μακροπορώδους δομής της λούφας, μέρος της φόρμουλας χάθηκε, επομένως η απόδοση φόρτωσης κυψελών δεν ήταν 100%.Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, το βάρος του ξηρού παρασκευάσματος στη λούφα προσδιορίστηκε και κανονικοποιήθηκε στο ξηρό παρασκεύασμα αναφοράς.Αβιοτικά μάρτυρες που αποτελούνταν από λούφα, λατέξ και στείρο θρεπτικό μέσο παρασκευάστηκαν με παρόμοιο τρόπο.
Για να πραγματοποιήσετε δοκιμή πρόσληψης CO2 μισής παρτίδας, τοποθετήστε το βιοσύνθετο (n = 3) σε γυάλινο σωλήνα 50 ml έτσι ώστε το ένα άκρο του βιοσύνθετου (χωρίς τη βιοεπικάλυψη) να έρθει σε επαφή με 5 ml μέσου ανάπτυξης, επιτρέποντας στο θρεπτικό συστατικό να μεταφέρονται με τριχοειδική δράση..Το μπουκάλι σφραγίζεται με φελλό από καουτσούκ βουτυλίου με διάμετρο 20 mm και πτυχώνεται με ασημί πώμα αλουμινίου.Μόλις σφραγιστεί, εγχύστε 45 ml CO2 5%/αέρα με μια αποστειρωμένη βελόνα συνδεδεμένη σε μια αεροστεγή σύριγγα.Η κυτταρική πυκνότητα του εναιωρήματος ελέγχου (n = 3) ήταν ισοδύναμη με το κυτταρικό φορτίο του βιοσύνθετου στο θρεπτικό μέσο.Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν στους 18 ± 2 °C με φωτοπερίοδο 16:8 και φωτοπερίοδο 30,5 μmol m-2 s-1.Ο χώρος του κεφαλιού αφαιρούνταν κάθε δύο ημέρες με αεριοστεγή σύριγγα και αναλύονταν με μετρητή CO2 με απορρόφηση υπερύθρων GEOTech G100 για να προσδιοριστεί το ποσοστό του CO2 που απορροφήθηκε.Προσθέστε ίσο όγκο μίγματος αερίου CO2.
Το % CO2 Fix υπολογίζεται ως εξής: % CO2 Fix = 5% (v/v) – γράψτε %CO2 (εξίσωση 2) όπου P = πίεση, V = όγκος, T = θερμοκρασία και R = σταθερά ιδανικό αέριο.
Τα αναφερθέντα ποσοστά πρόσληψης CO2 για εναιωρήματα ελέγχου κυανοβακτηρίων και βιοσύνθετων υλικών κανονικοποιήθηκαν σε μη βιολογικούς μάρτυρες.Η λειτουργική μονάδα g βιομάζας είναι η ποσότητα ξηρής βιομάζας που ακινητοποιείται στο πανί.Προσδιορίζεται με ζύγιση δειγμάτων λούφας πριν και μετά τη στερέωση των κυττάρων.Υπολογισμός της μάζας του κυτταρικού φορτίου (ισοδύναμο βιομάζας) με ατομική ζύγιση των παρασκευασμάτων πριν και μετά την ξήρανση και με υπολογισμό της πυκνότητας του παρασκευάσματος κυττάρων (εξίσωση 3).Τα κυτταρικά παρασκευάσματα θεωρείται ότι είναι ομοιογενή κατά τη στερέωση.
Το Minitab 18 και το Microsoft Excel με το πρόσθετο RealStatistics χρησιμοποιήθηκαν για στατιστική ανάλυση.Η κανονικότητα ελέγχθηκε χρησιμοποιώντας το τεστ Anderson-Darling και η ισότητα των διακυμάνσεων ελέγχθηκε χρησιμοποιώντας το τεστ Levene.Τα δεδομένα που ικανοποιούν αυτές τις παραδοχές αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας αμφίδρομη ανάλυση διακύμανσης (ANOVA) με τη δοκιμή Tukey ως ανάλυση post hoc.Τα αμφίδρομα δεδομένα που δεν πληρούσαν τις παραδοχές της κανονικότητας και της ίσης διακύμανσης αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας τη δοκιμή Shirer-Ray-Hara και στη συνέχεια τη δοκιμή U Mann-Whitney για τον προσδιορισμό της σημασίας μεταξύ των θεραπειών.Γενικευμένα γραμμικά μικτά μοντέλα (GLM) χρησιμοποιήθηκαν για μη κανονικά δεδομένα με τρεις παράγοντες, όπου τα δεδομένα μετασχηματίστηκαν χρησιμοποιώντας τον μετασχηματισμό Johnson63.Πραγματοποιήθηκαν συσχετίσεις στιγμών των προϊόντων Pearson για να αξιολογηθεί η σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης Texanol, της θερμοκρασίας μετάπτωσης υάλου και των δεδομένων τοξικότητας λατέξ και πρόσφυσης.
Ώρα δημοσίευσης: Ιαν-05-2023