Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).A més, per garantir un suport permanent, mostrem el lloc sense estils ni JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositives alhora.Utilitzeu els botons Anterior i Següent per moure's per tres diapositives alhora, o utilitzeu els botons lliscants al final per moure's per tres diapositives alhora.
La captura i l'emmagatzematge de carboni són essencials per assolir els objectius de l'Acord de París.La fotosíntesi és la tecnologia de la natura per capturar carboni.Inspirant-nos en els líquens, vam desenvolupar un biocompost fotosintètic de cianobacteris en 3D (és a dir, imitant el líquen) mitjançant un polímer de làtex acrílic aplicat a una esponja de lufa.La taxa d'absorció de CO2 pel biocompost va ser d'1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 de biomassa d-1.La taxa d'absorció es basa en la biomassa seca a l'inici de l'experiment i inclou el CO2 utilitzat per fer créixer nova biomassa, així com el CO2 contingut en compostos d'emmagatzematge com els hidrats de carboni.Aquestes taxes d'absorció eren 14-20 vegades més altes que les mesures de control de purins i es podrien augmentar potencialment per capturar 570 t CO2 t-1 de biomassa per any-1, equivalent a 5,5-8,17 × 106 hectàrees d'ús del sòl, eliminant 8-12 GtCO2 CO2 per any.En canvi, la bioenergia forestal amb captura i emmagatzematge de carboni és de 0,4–1,2 × 109 ha.El biocompost va romandre funcional durant 12 setmanes sense nutrients ni aigua addicionals, després de la qual cosa es va acabar l'experiment.Dins de la posició tecnològica multifacètica de la humanitat per combatre el canvi climàtic, els biocomposites de cianobacteris dissenyats i optimitzats tenen el potencial d'un desplegament sostenible i escalable per augmentar l'eliminació de CO2 alhora que redueixen les pèrdues d'aigua, nutrients i ús del sòl.
El canvi climàtic és una amenaça real per a la biodiversitat global, l'estabilitat dels ecosistemes i les persones.Per mitigar els seus pitjors efectes, calen programes de descarburació coordinats i a gran escala, i, per descomptat, cal algun tipus d'eliminació directa de gasos d'efecte hivernacle de l'atmosfera.Tot i la descarbonització positiva de la generació d'electricitat2,3, actualment no hi ha solucions tecnològiques econòmicament sostenibles per reduir el diòxid de carboni (CO2) atmosfèric4, tot i que la captació de gasos de combustió avança5.En lloc de solucions d'enginyeria escalables i pràctiques, la gent hauria de recórrer a enginyers naturals per a la captura de carboni: organismes fotosintètics (organismes fototròfics).La fotosíntesi és la tecnologia de segrest de carboni de la natura, però la seva capacitat per revertir l'enriquiment de carboni antropogènic a escales de temps significatives és qüestionable, els enzims són ineficients i la seva capacitat de desplegar-se a escales adequades és qüestionable.Una via potencial per a la fototròfia és la forestació, que tala arbres per a la bioenergia amb captura i emmagatzematge de carboni (BECCS) com a tecnologia d'emissions negatives que pot ajudar a reduir les emissions netes de CO21.Tanmateix, per assolir l'objectiu de temperatura de l'Acord de París d'1,5 °C utilitzant BECCS com a mètode principal, caldria de 0,4 a 1,2 × 109 ha, equivalent al 25-75% de les terres cultivables mundials actuals6.A més, la incertesa associada als efectes globals de la fertilització amb CO2 posa en dubte la potencial eficiència global de les plantacions forestals7.Si volem assolir els objectius de temperatura establerts per l'Acord de París, s'han d'eliminar de l'atmosfera 100 segons de GtCO2 de gasos d'efecte hivernacle (GGR) cada any.El Departament d'Investigació i Innovació del Regne Unit va anunciar recentment el finançament de cinc projectes GGR8 que inclouen gestió de torberes, meteorització millorada de les roques, plantació d'arbres, biochar i cultius perennes per alimentar el procés BECCS.Els costos d'eliminar més de 130 MtCO2 de l'atmosfera per any són de 10-100 USD/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 anuals per a la restauració de torberes, 52-480 USD/tCO2 i 12-27 MtCO2 anuals per a la meteorització de les roques. , 0,4-30 USD/any.tCO2, 3,6 MtCO2/any, 1% d'augment de la superfície forestal, 0,4-30 USD/tCO2, 6-41 MtCO2/any, biocarb, 140-270 USD/tCO2, 20-70 Mt CO2 anuals per a cultius permanents. BECCS9.
Una combinació d'aquests enfocaments podria assolir l'objectiu de 130 Mt CO2 per any, però els costos de la meteorització de les roques i el BECCS són elevats, i el biochar, tot i que relativament barat i no relacionat amb l'ús del sòl, requereix matèria primera per al procés de producció de biochar.ofereix aquest desenvolupament i nombre per desplegar altres tecnologies GGR.
En lloc de buscar solucions a terra, busqueu aigua, especialment fotòtrofs unicel·lulars com les microalgues i els cianobacteris10.Les algues (inclosos els cianobacteris) capturen aproximadament el 50% del diòxid de carboni mundial, tot i que només representen l'1% de la biomassa mundial11.Els cianobacteris són els biogeoenginyers originals de la natura, posant les bases del metabolisme respiratori i de l'evolució de la vida pluricel·lular mitjançant la fotosíntesi oxigenada12.La idea d'utilitzar cianobacteris per capturar carboni no és nova, però els mètodes innovadors de col·locació física obren nous horitzons per a aquests antics organismes.
Els estanys oberts i els fotobioreactors són actius predeterminats quan s'utilitzen microalgues i cianobacteris amb finalitats industrials.Aquests sistemes de cultiu utilitzen un cultiu en suspensió en què les cèl·lules floten lliurement en un medi de creixement14;tanmateix, els estanys i els fotobioreactors tenen molts desavantatges com ara una mala transferència de massa de CO2, un ús intensiu de la terra i l'aigua, la susceptibilitat a la bioincrustació i els elevats costos de construcció i operació15,16.Els bioreactors de biofilm que no utilitzen cultius en suspensió són més econòmics pel que fa a l'aigua i l'espai, però corren el risc de danys per dessecació, són propensos al despreniment de biofilm (i, per tant, a la pèrdua de biomassa activa) i són igualment propensos a la bioincrustació17.
Es necessiten nous enfocaments per augmentar la taxa d'absorció de CO2 i abordar els problemes que limiten els reactors de purins i biofilm.Un d'aquests enfocaments són els biocomposites fotosintètics inspirats en líquens.Els líquens són un complex de fongs i fotobionts (microalgues i/o cianobacteris) que cobreixen aproximadament el 12% de la superfície terrestre de la Terra18.Els fongs proporcionen suport físic, protecció i ancoratge del substrat fotobiòtic, que al seu torn proporcionen als fongs carboni (com a excés de productes fotosintètics).El biocomposit proposat és un "liquen mimètic", en el qual s'immobilitza una població concentrada de cianobacteris en forma de biorecobriment prim sobre un substrat portador.A més de les cèl·lules, el biorecobriment conté una matriu de polímer que pot substituir el fong.Es prefereixen les emulsions de polímers a base d'aigua o "làtexs" perquè són biocompatibles, duradors, barats, fàcils de manejar i comercialment disponibles19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
La fixació de cèl·lules amb polímers de làtex està molt influenciada per la composició del làtex i el procés de formació de la pel·lícula.La polimerització en emulsió és un procés heterogeni utilitzat per produir cautxú sintètic, recobriments adhesius, segelladors, additius de formigó, recobriments de paper i tèxtils i pintures de làtex27.Té una sèrie d'avantatges sobre altres mètodes de polimerització, com ara l'alta velocitat de reacció i l'eficiència de conversió de monòmers, així com la facilitat de control del producte27,28.L'elecció dels monòmers depèn de les propietats desitjades de la pel·lícula de polímer resultant, i per als sistemes de monòmers mixtes (és a dir, copolimeritzacions), les propietats del polímer es poden canviar seleccionant diferents proporcions de monòmers que formen el material polimèric resultant.L'acrilat de butil i l'estirè es troben entre els monòmers de làtex acrílic més comuns i s'utilitzen aquí.A més, els agents coalescents (per exemple, Texanol) s'utilitzen sovint per promoure la formació de pel·lícules uniformes on poden alterar les propietats del làtex de polímer per produir un recobriment fort i "continu" (coalescent).En el nostre estudi inicial de prova de concepte, es va fabricar un biocomposit 3D d'alta superfície i alta porositat mitjançant una pintura de làtex comercial aplicada a una esponja de lufa.Després de manipulacions llargues i contínues (vuit setmanes), el biocompost va mostrar una capacitat limitada per retenir cianobacteris a la bastida de la lufa perquè el creixement cel·lular va debilitar la integritat estructural del làtex.En l'estudi actual, teníem com a objectiu desenvolupar una sèrie de polímers de làtex acrílic de química coneguda per a un ús continu en aplicacions de captura de carboni sense sacrificar la degradació del polímer.En fer-ho, hem demostrat la capacitat de crear elements de matriu de polímers semblants a líquens que proporcionen un rendiment biològic millorat i una elasticitat mecànica significativament augmentada en comparació amb els biocomposites provats.Una optimització addicional accelerarà l'absorció de biocomposites per a la captura de carboni, especialment quan es combinen amb cianobacteris modificats metabòlicament per millorar el segrest de CO2.
Es van provar nou làtexs amb tres formulacions de polímers (H = "dur", N = "normal", S = "tou") i tres tipus de Texanol (0, 4, 12% v/v) per a la toxicitat i la correlació de soca.Adhesiu.de dos cianobacteris.El tipus de làtex va influir significativament en S. elongatus PCC 7942 (test de Shirer-Ray-Hare, làtex: DF=2, H=23,157, P=<0,001) i CCAP 1479/1A (ANOVA bidireccional, làtex: DF=2, F = 103,93, P = <0,001) (Fig. 1a).La concentració de texanol no va afectar significativament el creixement de S. elongatus PCC 7942, només el N-làtex no era tòxic (Fig. 1a), i 0 N i 4 N van mantenir un creixement del 26% i 35%, respectivament (Mann- Whitney U, 0 N vs 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N versus control: W = 25,0, P = 0,061; 4 N versus control: W = 25,0, P = 0,061) i 12 N van mantenir un creixement comparable al control biològic (Universitat Mann-Whitney, 12 N vs. control: W = 17,0, P = 0,885).Per a S. elongatus CCAP 1479/1A, tant la barreja de làtex com la concentració de texanol van ser factors importants, i es va observar una interacció significativa entre tots dos (ANOVA bidireccional, làtex: DF=2, F=103,93, P=<0,001, Texanol). : DF=2, F=5,96, P=0,01, Làtex*Texanol: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N i tots els làtexs "tous" van promoure el creixement (Fig. 1a).Hi ha una tendència a millorar el creixement amb la disminució de la composició d'estirè.
Proves de toxicitat i adhesió de cianobacteris (Synechococcus elongatus PCC 7942 i CCAP 1479/1A) a formulacions de làtex, relació amb la temperatura de transició vítrea (Tg) i matriu de decisió basada en dades de toxicitat i adhesió.( a ) Les proves de toxicitat es van realitzar mitjançant trames separades de creixement percentual de cianobacteris normalitzats per controlar cultius en suspensió.Els tractaments marcats amb * són significativament diferents dels controls.( b ) Dades de creixement de cianobacteris versus làtex Tg (mitjana ± SD; n = 3).(c) El nombre acumulat de cianobacteris alliberats de la prova d'adhesió del biocomposite.( d ) Dades d'adhesió versus Tg del làtex (mitjana ± StDev; n = 3).e Matriu de decisió basada en dades de toxicitat i adhesió.La proporció d'estirè a acrilat de butil és 1:3 per al làtex "dur" (H), 1:1 per a "normal" (N) i 3:1 per a "tou" (S).Els números anteriors del codi de làtex corresponen al contingut de Texanol.
En la majoria dels casos, la viabilitat cel·lular va disminuir amb l'augment de la concentració de texanol, però no hi va haver una correlació significativa per a cap de les soques (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r). = – 0,127, P = 0,527).A la fig.La figura 1b mostra la relació entre el creixement cel·lular i la temperatura de transició vítrea (Tg).Hi ha una forta correlació negativa entre la concentració de texanol i els valors de Tg (H-làtex: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-làtex: DF=7, r=-0,964, P=<0,001 S- làtex: DF=7, r=-0,946, P=<0,001).Les dades van mostrar que la Tg òptima per al creixement de S. elongatus PCC 7942 era d'uns 17 ° C (figura 1b), mentre que S. elongatus CCAP 1479/1A afavoria la Tg per sota de 0 ° C (figura 1b).Només S. elongatus CCAP 1479/1A va tenir una forta correlació negativa entre les dades de Tg i toxicitat (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Tots els làtexs tenien una bona afinitat d'adhesió i cap d'ells va alliberar més de l'1% de les cèl·lules després de 72 h (Fig. 1c).No hi va haver cap diferència significativa entre els làtex de les dues soques de S. elongatus (PCC 7942: prova Scheirer-Ray-Hara, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- prova de raig).– Prova de llebre, làtex*texanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).A mesura que augmenta la concentració de Texanol, s'alliberen més cèl·lules (figura 1c).en comparació amb S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Figura 1d).A més, no hi va haver cap relació estadística entre la Tg i l'adhesió cel·lular de les dues soques (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Per a ambdues soques, els polímers de làtex "durs" eren ineficaços.En canvi, 4N i 12N es van comportar millor contra S. elongatus PCC 7942, mentre que 4S i 12S van tenir un millor rendiment contra CCAP 1479/1A (Fig. 1e), tot i que hi ha clarament espai per a una millor optimització de la matriu del polímer.Aquests polímers s'han utilitzat en proves d'absorció de CO2 net semi-batch.
La fotofisiologia es va controlar durant 7 dies utilitzant cèl·lules suspeses en una composició de làtex aquosa.En general, tant la taxa de fotosíntesi aparent (PS) com el rendiment quàntic màxim de PSII (Fv/Fm) disminueixen amb el temps, però aquesta disminució és desigual i alguns conjunts de dades de PS mostren una resposta bifàsica, cosa que suggereix una resposta parcial, encara que la recuperació en temps real. activitat PS més curta (Fig. 2a i 3b).La resposta bifàsica Fv / Fm va ser menys pronunciada (figures 2b i 3b).
( a ) Taxa de fotosíntesi aparent (PS) i (b) rendiment quàntic PSII màxim (Fv / Fm) de Synechococcus elongatus PCC 7942 en resposta a formulacions de làtex en comparació amb cultius de suspensió control.La proporció d'estirè a acrilat de butil és 1:3 per al làtex "dur" (H), 1:1 per a "normal" (N) i 3:1 per a "tou" (S).Els números anteriors del codi de làtex corresponen al contingut de Texanol.(mitjana ± desviació estàndard; n = 3).
( a ) Taxa de fotosíntesi aparent (PS) i (b) rendiment quàntic PSII màxim (Fv / Fm) de Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A en resposta a formulacions de làtex en comparació amb cultius de suspensió control.La proporció d'estirè a acrilat de butil és 1:3 per al làtex "dur" (H), 1:1 per a "normal" (N) i 3:1 per a "tou" (S).Els números anteriors del codi de làtex corresponen al contingut de Texanol.(mitjana ± desviació estàndard; n = 3).
Per a S. elongatus PCC 7942, la composició del làtex i la concentració de Texanol no van afectar el PS al llarg del temps (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), tot i que la composició va ser un factor important (GLM)., làtex*temps, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Fig. 2a).No hi va haver cap efecte significatiu de la concentració de Texanol al llarg del temps (GLM, Texanol * temps, DF = 14, F = 1, 63, P = 0, 078).Hi va haver una interacció significativa que va afectar Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4,54, P=<0,001).La interacció entre la formulació de làtex i la concentració de Texanol va tenir un efecte significatiu sobre Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Cada paràmetre també afecta Fv/Fm al llarg del temps (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 i Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=<0,001).El làtex 12H va mantenir els valors mitjans més baixos de PS i Fv/Fm (Fig. 2b), cosa que indica que aquest polímer és més tòxic.
El PS de S. elongatus CCAP 1479/1A era significativament diferent (GLM, làtex * Texanol * temps, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), amb la composició de làtex en lloc de la concentració de Texanol (GLM, Latex*time, DF). =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*temps, DF=14, F=1,26, P=0,239).Els polímers "tous" 0S i 4S van mantenir nivells lleugerament superiors de rendiment PS que les suspensions de control (Mann-Whitney U, 0S versus controls, W = 686,0, P = 0,044, 4S versus controls, W = 713, P = 0,01) i van mantenir un millorat Fv./Fm (Fig. 3a) mostra un transport més eficient al Photosystem II.Per als valors de Fv/Fm de les cèl·lules CCAP 1479/1A, hi va haver una diferència significativa de làtex al llarg del temps (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6.00, P=<0.001) (Figura 3b).).
A la fig.La figura 4 mostra la mitjana de PS i Fv/Fm durant un període de 7 dies en funció del creixement cel·lular per a cada soca.S. elongatus PCC 7942 no tenia un patró clar (Fig. 4a i b), tanmateix, CCAP 1479/1A va mostrar una relació parabòlica entre els valors PS (Fig. 4c) i Fv/Fm (Fig. 4d) com el les proporcions d'estirè i acrilat de butil creixen amb el canvi.
Relació entre creixement i fotofisiologia de Synechococcus longum en preparats de làtex.(a) Dades de toxicitat representades contra la taxa fotosintètica aparent (PS), (b) rendiment quàntic PSII màxim (Fv/Fm) de PCC 7942. c Dades de toxicitat representades contra PS i d Fv/Fm CCAP 1479/1A.La proporció d'estirè a acrilat de butil és 1:3 per al làtex "dur" (H), 1:1 per a "normal" (N) i 3:1 per a "tou" (S).Els números anteriors del codi de làtex corresponen al contingut de Texanol.(mitjana ± desviació estàndard; n = 3).
El biocompost PCC 7942 va tenir un efecte limitat sobre la retenció cel·lular amb una lixiviació cel·lular important durant les quatre primeres setmanes (figura 5).Després de la fase inicial d'absorció de CO2, les cèl·lules fixades amb làtex 12 N van començar a alliberar CO2, i aquest patró va persistir entre els dies 4 i 14 (Fig. 5b).Aquestes dades són coherents amb les observacions de la decoloració del pigment.L'absorció neta de CO2 va començar de nou a partir del dia 18. Malgrat l'alliberament de cèl·lules (Fig. 5a), el biocompost PCC 7942 12 N encara va acumular més CO2 que la suspensió de control durant 28 dies, encara que lleugerament (prova U de Mann-Whitney, W = 2275,5; P = 0,066).La taxa d'absorció de CO2 pel làtex 12 N i 4 N és de 0,51 ± 0,34 i 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 de biomassa d-1.Hi va haver una diferència estadísticament significativa entre el tractament i els nivells de temps (test de Chairer-Ray-Hare, tractament: DF=2, H=70,62, P=<0,001 temps: DF=13, H=23,63, P=0,034), però no ho era.hi va haver una relació significativa entre el tractament i el temps (test de Chairer-Ray-Har, temps*tractament: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Proves d'absorció de CO2 de mig lot en biocomposites Synechococcus elongatus PCC 7942 utilitzant làtex 4N i 12N.( a ) Les imatges mostren l'alliberament cel·lular i la decoloració del pigment, així com imatges SEM del biocompost abans i després de la prova.Les línies de punts blancs indiquen els llocs de deposició cel·lular al biocompost.(b) Absorció neta acumulada de CO2 durant un període de quatre setmanes.El làtex "normal" (N) té una proporció d'estirè a acrilat de butil d'1:1.Els números anteriors del codi de làtex corresponen al contingut de Texanol.(mitjana ± desviació estàndard; n = 3).
La retenció cel·lular es va millorar significativament per a la soca CCAP 1479/1A amb 4S i 12S, tot i que el pigment va canviar de color lentament amb el temps (Fig. 6a).El biocomposite CCAP 1479/1A absorbeix CO2 durant 84 dies complets (12 setmanes) sense suplements nutricionals addicionals.L'anàlisi SEM (Fig. 6a) va confirmar l'observació visual del despreniment de cèl·lules petites.Inicialment, les cèl·lules estaven encaixades en un recobriment de làtex que mantenia la seva integritat malgrat el creixement cel·lular.La taxa d'absorció de CO2 va ser significativament superior a la del grup control (test Scheirer-Ray-Har, tractament: DF=2; H=240,59; P=<0,001, temps: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Fig. 6b).El biocomposit 12S va aconseguir la major absorció de CO2 (1,57 ± 0,08 g de biomassa CO2 g-1 per dia), mentre que el làtex 4S va ser d'1,13 ± 0,41 g de biomassa CO2 g-1 per dia, però no difereixen significativament (Mann-Whitney U). ., W = 1507,50; P = 0,07) i cap interacció significativa entre el tractament i el temps (test de Shirer-Rey-Hara, temps * tractament: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Prova d'absorció de CO2 de mig lot utilitzant biocomposites Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A amb làtex 4N i 12N.( a ) Les imatges mostren l'alliberament cel·lular i la decoloració del pigment, així com imatges SEM del biocompost abans i després de la prova.Les línies de punts blancs indiquen els llocs de deposició cel·lular al biocompost.(b) Absorció neta acumulada de CO2 durant el període de dotze setmanes.El làtex "tou" (S) té una proporció d'estirè a acrilat de butil d'1:1.Els números anteriors del codi de làtex corresponen al contingut de Texanol.(mitjana ± desviació estàndard; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (prova de Shirer-Ray-Har, temps*tractament: DF=4, H=3,243, P=0,518) o biocompost S. elongatus CCAP 1479/1A (dos-ANOVA, temps*tractament: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (Fig. S4).El biocomposite PCC 7942 va tenir el contingut més alt d'hidrats de carboni a la setmana 2 (4 N = 59,4 ± 22,5% en pes, 12 N = 67,9 ± 3,3% en pes), mentre que la suspensió de control tenia el contingut més alt en hidrats de carboni a la setmana 4 quan (control = 59,6 ± 2,84% w/w).El contingut total d'hidrats de carboni del biocompost CCAP 1479/1A va ser comparable a la suspensió de control excepte a l'inici de l'assaig, amb alguns canvis en el làtex 12S a la setmana 4. Els valors més alts per al biocompost van ser 51,9 ± 9,6% en pes. per a 4S i 77,1 ± 17,0% en pes per a 12S.
Ens vam proposar demostrar les possibilitats de disseny per millorar la integritat estructural dels recobriments de polímers de làtex de pel·lícula fina com a component important del concepte de biocomposite imitant liquens sense sacrificar la biocompatibilitat o el rendiment.De fet, si es superen els reptes estructurals associats al creixement cel·lular, esperem millores significatives del rendiment dels nostres biocomposites experimentals, que ja són comparables a altres sistemes de captura de carboni de cianobacteris i microalgues.
Els recobriments han de ser no tòxics, duradors, suportar l'adhesió cel·lular a llarg termini i han de ser porosos per promoure una transferència eficient de massa de CO2 i una desgasificació d'O2.Els polímers acrílics de tipus làtex són fàcils de preparar i s'utilitzen àmpliament en les indústries de pintura, tèxtil i adhesius30.Hem combinat cianobacteris amb una emulsió de polímer de làtex acrílic a base d'aigua polimeritzada amb una proporció específica de partícules d'estirè/acrilat de butil i diverses concentracions de Texanol.Es va triar l'estirè i l'acrilat de butil per poder controlar les propietats físiques, especialment l'elasticitat i l'eficiència de coalescència del recobriment (crític per a un recobriment fort i altament adhesiu), permetent la síntesi d'agregats de partícules "dures" i "tous".Les dades de toxicitat suggereixen que el làtex "dur" amb un alt contingut d'estirè no és propici per a la supervivència dels cianobacteris.A diferència de l'acrilat de butil, l'estirè es considera tòxic per a les algues32,33.Les soques de cianobacteris van reaccionar de manera molt diferent al làtex, i es va determinar la temperatura de transició vítrea (Tg) òptima per a S. elongatus PCC 7942, mentre que S. elongatus CCAP 1479/1A va mostrar una relació lineal negativa amb Tg.
La temperatura d'assecat afecta la capacitat de formar una pel·lícula de làtex uniforme i contínua.Si la temperatura d'assecat és per sota de la temperatura mínima de formació de pel·lícules (MFFT), les partícules de làtex de polímer no s'uniran completament, donant lloc a l'adhesió només a la interfície de partícules.Les pel·lícules resultants tenen poca adherència i resistència mecànica i fins i tot poden estar en forma de pols29.La MFFT està estretament relacionada amb la Tg, que es pot controlar mitjançant la composició de monòmers i l'addició de coalescents com el Texanol.La Tg determina moltes de les propietats físiques del recobriment resultant, que pot estar en estat de goma o vidre34.Segons l'equació de Flory-Fox35, la Tg depèn del tipus de monòmer i de la composició percentual relativa.L'addició de coalescent pot reduir la MFFT mitjançant la supressió intermitent de la Tg de les partícules de làtex, que permet la formació de pel·lícules a temperatures més baixes, però encara forma un recobriment dur i fort perquè el coalescent s'evapora lentament amb el temps o s'ha extret 36 .
L'augment de la concentració de Texanol afavoreix la formació de pel·lícules suavitzant les partícules de polímer (reduint la Tg) a causa de l'absorció de les partícules durant l'assecat, augmentant així la força de la pel·lícula cohesiva i l'adhesió cel·lular.Com que el biocomposit s'asseca a temperatura ambient (~18-20 °C), la Tg (30 a 55 °C) del làtex "dur" és superior a la temperatura d'assecat, el que significa que la coalescència de partícules pot no ser òptima, donant lloc a Les pel·lícules B que romanen vítries, propietats mecàniques i adhesives pobres, elasticitat i difusivitat limitades30 condueixen finalment a una major pèrdua de cèl·lules.La formació de pel·lícules a partir de polímers "normals" i "tous" es produeix a la Tg o per sota de la pel·lícula de polímer, i la formació de pel·lícules es millora mitjançant una coalescència millorada, donant lloc a pel·lícules de polímers contínues amb propietats mecàniques, cohesives i adhesives millorades.La pel·lícula resultant es mantindrà gomosa durant els experiments de captura de CO2 perquè la seva Tg és propera a la (mescla normal: 12 a 20 ºC) o molt inferior a la temperatura ambient 30 (mescla (mescla suau: -21 a -13 °C).El làtex “dur” (3,4 a 2,9 kgf mm–1) és tres vegades més dur que el làtex “normal” (1,0 a 0,9 kgf mm–1).La duresa dels làtexs "tous" no es pot mesurar per microduresa a causa de la seva excessiva goxositat i adhesivitat a temperatura ambient.La càrrega superficial també pot afectar l'afinitat d'adhesió, però es necessiten més dades per proporcionar informació significativa.No obstant això, tots els làtexs van retenir de manera efectiva les cèl·lules, alliberant menys de l'1%.
La productivitat de la fotosíntesi disminueix amb el temps.L'exposició al poliestirè provoca la ruptura de la membrana i l'estrès oxidatiu38,39,40,41.Els valors de Fv/Fm de S. elongatus CCAP 1479/1A exposats a 0S i 4S eren gairebé el doble en comparació amb el control de suspensió, la qual cosa està d'acord amb la taxa d'absorció de CO2 del biocomposit 4S, així com amb valors PS mitjans més baixos.valors.Els valors més alts de Fv/Fm indiquen que el transport d'electrons a PSII pot lliurar més fotons42, cosa que pot provocar taxes de fixació de CO2 més altes.Tanmateix, cal tenir en compte que les dades fotofisiològiques es van obtenir a partir de cèl·lules suspeses en solucions aquoses de làtex i que no necessàriament poden ser directament comparables amb biocomposites madurs.
Si el làtex crea una barrera a l'intercanvi de llum i/o gasos que resulta en una restricció de llum i CO2, pot causar estrès cel·lular i reduir el rendiment, i si afecta l'alliberament d'O2, la fotorespiració39.Es va avaluar la transmissió de la llum dels recobriments curats: el làtex "dur" va mostrar una lleugera disminució de la transmissió de la llum entre 440 i 480 nm (millora en part augmentant la concentració de Texanol a causa de la millora de la coalescència de la pel·lícula), mentre que "tou" i "regular". El làtex va mostrar una lleugera disminució de la transmissió de la llum.no mostra cap pèrdua notable.Els assajos, així com totes les incubacions, es van realitzar a baixa intensitat de llum (30,5 µmol m-2 s-1), de manera que qualsevol radiació fotosintèticament activa deguda a la matriu del polímer es compensarà i fins i tot pot ser útil per prevenir la fotoinhibició.amb intensitats lluminoses perjudicials.
El biocomposite CCAP 1479/1A va funcionar durant els 84 dies de prova, sense rotació de nutrients ni pèrdua important de biomassa, que és un objectiu clau de l'estudi.La despigmentació cel·lular pot estar associada a un procés de clorosi en resposta a la fam de nitrogen per aconseguir una supervivència a llarg termini (estat de repòs), cosa que pot ajudar les cèl·lules a reprendre el creixement després d'haver aconseguit una acumulació suficient de nitrogen.Les imatges SEM van confirmar que les cèl·lules romanien dins del recobriment malgrat la divisió cel·lular, demostrant l'elasticitat del làtex "tou" i mostrant així un clar avantatge respecte a la versió experimental.El làtex "suau" conté aproximadament un 70% d'acrilat de butil (en pes), que és molt superior a la concentració indicada per a un recobriment flexible després de l'assecat44.
L'absorció neta de CO2 va ser significativament superior a la de la suspensió de control (14-20 i 3-8 vegades més gran per a S. elongatus CCAP 1479/1A i PCC 7942, respectivament).Anteriorment, vam utilitzar un model de transferència de massa de CO2 per demostrar que el principal motor de l'elevada absorció de CO2 és un fort gradient de concentració de CO2 a la superfície del biocompost31 i que el rendiment del biocompost es pot limitar per la resistència a la transferència de massa.Aquest problema es pot superar incorporant ingredients no tòxics i que no formen pel·lícula al làtex per augmentar la porositat i la permeabilitat del recobriment26, però la retenció cel·lular es pot veure compromesa ja que aquesta estratègia donarà lloc inevitablement a una pel·lícula més feble20.La composició química es pot canviar durant la polimerització per augmentar la porositat, que és la millor opció, sobretot pel que fa a la producció industrial i l'escalabilitat45.
El rendiment del nou biocomposit en comparació amb estudis recents utilitzant biocomposites de microalgues i cianobacteris va mostrar avantatges en l'ajust de la taxa de càrrega cel·lular (taula 1)21,46 i amb temps d'anàlisi més llargs (84 dies versus 15 hores46 i 3 setmanes21).
El contingut volumètric d'hidrats de carboni a les cèl·lules es compara favorablement amb altres estudis47,48,49,50 que utilitzen cianobacteris i s'utilitza com a criteri potencial per a aplicacions de captura i utilització/recuperació de carboni, com per exemple per als processos de fermentació BECCS49,51 o per a la producció de biodegradables. bioplàstics52 .Com a part de la justificació d'aquest estudi, assumim que la forestació, fins i tot considerada en el concepte d'emissions negatives BECCS, no és una panacea per al canvi climàtic i consumeix una part alarmant de les terres cultivables del món6.Com a experiment mental, es va estimar que s'haurien d'eliminar de l'atmosfera entre 640 i 950 GtCO2 el 2100 per limitar l'augment de la temperatura global a 1,5 °C53 (uns 8 a 12 GtCO2 per any).Aconseguir-ho amb un biocomposit de millor rendiment (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 biomassa per any-1) requeriria una expansió de volum de 5,5 × 1010 a 8,2 × 1010 m3 (amb una eficiència fotosintètica comparable), que contingui entre 196 i 2,92 milions de litres. polímer.Suposant que 1 m3 de biocomposites ocupi 1 m2 de superfície de sòl, la superfície necessària per absorbir el CO2 total anual objectiu estarà entre 5,5 i 8,17 milions d'hectàrees, la qual cosa equival al 0,18-0,27% d'apte per a la vida útil dels terrenys del tròpics i reduir la superfície terrestre.necessitat de BECCS en un 98-99%.Cal tenir en compte que la relació de captura teòrica es basa en l'absorció de CO2 registrada amb poca llum.Tan bon punt el biocompost s'exposa a una llum natural més intensa, la taxa d'absorció de CO2 augmenta, reduint encara més els requisits de terra i inclinant la balança cap al concepte de biocomposit.Tanmateix, la implementació ha d'estar a l'equador per a una intensitat i una durada constants de la llum de fons.
L'efecte global de la fertilització amb CO2, és a dir, l'augment de la productivitat de la vegetació provocat per l'augment de la disponibilitat de CO2, ha disminuït a la majoria de les zones terrestres, probablement a causa dels canvis en els nutrients clau del sòl (N i P) i els recursos hídrics7.Això vol dir que la fotosíntesi terrestre pot no conduir a un augment de l'absorció de CO2, malgrat les concentracions elevades de CO2 a l'aire.En aquest context, les estratègies terrestres de mitigació del canvi climàtic com BECCS tenen encara menys probabilitats de tenir èxit.Si es confirma aquest fenomen global, el nostre biocompost inspirat en líquens podria ser un actiu clau, transformant els microbis fotosintètics aquàtics unicel·lulars en "agents terrestres".La majoria de les plantes terrestres fixen el CO2 mitjançant la fotosíntesi C3, mentre que les plantes C4 són més favorables a hàbitats més càlids i secs i són més eficients a pressions parcials de CO254 més altes.Els cianobacteris ofereixen una alternativa que podria compensar les alarmants prediccions de reducció de l'exposició al diòxid de carboni a les plantes C3.Els cianobacteris han superat les limitacions fotorespiratòries desenvolupant un mecanisme d'enriquiment de carboni eficient en el qual es presenten pressions parcials més elevades de CO2 i es mantenen per la ribulosa-1,5-bisfosfat carboxilasa/oxigenasa (RuBisCo) dins dels carboxisomes del voltant.Si es pot augmentar la producció de biocomposites cianobacterians, això podria convertir-se en una arma important per a la humanitat en la lluita contra el canvi climàtic.
Els biocomposites (imitacions de líquens) ofereixen avantatges clars sobre els cultius de suspensió de microalgues i cianobacteris convencionals, proporcionant taxes d'absorció de CO2 més elevades, minimitzant els riscos de contaminació i prometent evitar el CO2 competitiu.Els costos redueixen significativament l'ús de la terra, l'aigua i els nutrients56.Aquest estudi demostra la viabilitat de desenvolupar i fabricar un làtex biocompatible d'alt rendiment que, quan es combina amb una esponja de lufa com a substrat candidat, pot proporcionar una absorció de CO2 eficient i eficaç durant mesos de cirurgia alhora que manté la pèrdua de cèl·lules al mínim.Els biocomposites podrien captar teòricament aproximadament 570 t CO2 t-1 de biomassa per any i poden resultar més importants que les estratègies de forestació BECCS en la nostra resposta al canvi climàtic.Amb una millor optimització de la composició del polímer, proves a intensitats de llum més altes i combinades amb una elaborada enginyeria metabòlica, els biogeoenginyers originals de la natura poden tornar al rescat.
Els polímers de làtex acrílic es van preparar amb una barreja de monòmers d'estirè, acrilat de butil i àcid acrílic, i el pH es va ajustar a 7 amb hidròxid de sodi 0,1 M (taula 2).L'estirè i l'acrilat de butil constitueixen la major part de les cadenes de polímers, mentre que l'àcid acrílic ajuda a mantenir les partícules de làtex en suspensió57.Les propietats estructurals del làtex estan determinades per la temperatura de transició vítrea (Tg), que es controla canviant la proporció d'estirè i acrilat de butil, que proporciona propietats "dures" i "tous", respectivament58.Un polímer de làtex acrílic típic és estirè 50:50: acrilat de butil 30, de manera que en aquest estudi el làtex amb aquesta proporció es va denominar làtex "normal" i el làtex amb un contingut d'estirè més elevat es va denominar làtex amb un contingut d'estirè més baix. .anomenat "suau" com "dur".
Es va preparar una emulsió primària utilitzant aigua destil·lada (174 g), bicarbonat de sodi (0,5 g) i tensioactiu Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) per estabilitzar les 30 gotes de monòmers.Utilitzant una xeringa de vidre (Science Glass Engineering) amb una bomba de xeringa, es va afegir gota a gota una alíquota secundària que contenia estirè, acrilat de butil i àcid acrílic que figuren a la taula 2 a una velocitat de 100 ml h-1 a l'emulsió primària durant 4 hores (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Prepareu una solució d'iniciador de polimerització 59 amb dHO i persulfat d'amoni (100 ml, 3% p/p).
Agiteu la solució que conté dHO (206 g), bicarbonat de sodi (1 g) i Rhodapex Ab/20 (4,42 g) amb un agitador superior (valor Heidolph Hei-TORQUE 100) amb una hèlix d'acer inoxidable i escalfeu-lo a 82 °C en un Vaixell amb camisa d'aigua en un bany d'aigua escalfat VWR Scientific 1137P.Una solució de pes reduït de monòmer (28,21 g) i iniciador (20,60 g) es va afegir gota a gota al recipient amb camisa i es va agitar durant 20 minuts.Barrejar vigorosament les solucions restants de monòmer (150 ml h-1) i iniciadora (27 ml h-1) per mantenir les partícules en suspensió fins que s'afegeixin a la camisa d'aigua durant 5 h amb xeringues de 10 ml i 100 ml respectivament en un recipient. .completat amb una bomba de xeringa.La velocitat de l'agitador es va augmentar a causa de l'augment del volum de purins per garantir la retenció de purins.Després d'afegir l'iniciador i l'emulsió, la temperatura de reacció es va elevar a 85 °C, es va agitar bé a 450 rpm durant 30 minuts i després es va refredar a 65 °C.Després del refredament, es van afegir dues solucions de desplaçament al làtex: hidroperòxid de terc-butil (t-BHP) (70% en aigua) (5 g, 14% en pes) i àcid isoascòrbic (5 g, 10% en pes)..Afegiu t-BHP gota a gota i deixeu-ho 20 minuts.A continuació, es va afegir àcid eritòrbic a una velocitat de 4 ml/h des d'una xeringa de 10 ml mitjançant una bomba de xeringa.La solució de làtex es va refredar a temperatura ambient i es va ajustar a pH 7 amb hidròxid de sodi 0,1 M.
Monoisobutirat de 2,2,4-trimetil-1,3-pentandiol (Texanol) - coalescent biodegradable de baixa toxicitat per a pintures de làtex 37,60 - es va afegir amb una xeringa i una bomba en tres volums (0, 4, 12% v/v) com a agent coalescent per a la barreja de làtex per facilitar la formació de pel·lícules durant l'assecat37.El percentatge de sòlids de làtex es va determinar col·locant 100 µl de cada polímer en taps de paper d'alumini prepesats i assecant-los en un forn a 100 °C durant 24 hores.
Per a la transmissió de la llum, cada mescla de làtex es va aplicar a un portaobjectes de microscopi mitjançant un cub de gota d'acer inoxidable calibrat per produir pel·lícules de 100 µm i es va assecar a 20 ° C durant 48 hores.La transmissió de la llum (centrada en la radiació fotosintèticament activa, λ 400–700 nm) es va mesurar en un espectroradiòmetre ILT950 SpectriLight amb un sensor a una distància de 35 cm d'una làmpada fluorescent de 30 W (Sylvania Luxline Plus, n = 6), on la llum font van ser cianobacteris i organismes Es conserven materials compostos.Es va utilitzar la versió 3.5 del programari SpectrILight III per registrar la il·luminació i la transmissió en el rang λ 400-700 nm61.Totes les mostres es van col·locar a la part superior del sensor i es van utilitzar diapositives de vidre sense recobrir com a controls.
Es van afegir mostres de làtex a una safata de silicona i es van deixar assecar durant 24 hores abans de ser provades per a la duresa.Col·loqueu la mostra de làtex seca sobre una tapa d'acer sota un microscopi x10.Després de centrar-se, les mostres es van avaluar en un provador de microduresa Buehler Micromet II.La mostra es va sotmetre a una força de 100 a 200 grams i el temps de càrrega es va establir en 7 segons per crear una abolladura de diamant a la mostra.La impressió es va analitzar mitjançant un objectiu de microscopi Bruker Alicona × 10 amb un programari de mesura de forma addicional.La fórmula de duresa de Vickers (equació 1) es va utilitzar per calcular la duresa de cada làtex, on HV és el nombre de Vickers, F és la força aplicada i d és la mitjana de les diagonals de sagnat calculades a partir de l'alçada i l'amplada del làtex.valor de sagnat.El làtex "tou" no es pot mesurar a causa de l'adhesió i l'estirament durant la prova de sagnat.
Per determinar la temperatura de transició vítrea (Tg) de la composició de làtex, les mostres de polímer es van col·locar en plats de gel de sílice, es van assecar durant 24 hores, es van pesar fins a 0,005 g i es van col·locar en plats de mostra.El plat es va tapar i es va col·locar en un colorímetre d'escaneig diferencial (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, programari d'anàlisi de dades Pyris)62.El mètode de flux de calor s'utilitza per col·locar tasses de referència i tasses de mostra al mateix forn amb una sonda de temperatura integrada per mesurar la temperatura.Es van utilitzar un total de dues rampes per crear una corba consistent.El mètode de mostra es va augmentar repetidament de -20 °C a 180 °C a una velocitat de 20 °C per minut.Cada punt inicial i final s'emmagatzema durant 1 minut per tenir en compte el retard de temperatura.
Per avaluar la capacitat del biocompost per absorbir CO2, es van preparar i provar mostres de la mateixa manera que en el nostre estudi anterior31.El drap assecat i autoclau es va tallar en tires d'aproximadament 1 × 1 × 5 cm i es va pesar.Apliqueu 600 µl dels dos recobriments biològics més efectius de cada soca de cianobacteris a un extrem de cada tira de lufa, que cobreix aproximadament 1 × 1 × 3 cm, i assequeu a la foscor a 20 °C durant 24 hores.A causa de l'estructura macroporosa de la lufa, es va malgastar part de la fórmula, de manera que l'eficiència de càrrega de cèl·lules no era del 100%.Per superar aquest problema, es va determinar el pes de la preparació seca sobre la lufa i es va normalitzar a la preparació seca de referència.Els controls abiòtics que consistien en lufa, làtex i medi nutrient estèril es van preparar de manera similar.
Per realitzar una prova d'absorció de CO2 de mig lot, col·loqueu el biocomposit (n = 3) en un tub de vidre de 50 ml de manera que un extrem del biocompost (sense el biorecobriment) estigui en contacte amb 5 ml de medi de creixement, permetent que el nutrient ser transportat per acció capil·lar..L'ampolla està segellada amb un tap de goma butílica d'un diàmetre de 20 mm i enganxada amb un tap d'alumini platejat.Un cop segellat, injecteu 45 ml de CO2/aire al 5% amb una agulla estèril connectada a una xeringa estanca al gas.La densitat cel·lular de la suspensió de control (n = 3) era equivalent a la càrrega cel·lular del biocompost en el medi nutritiu.Les proves es van realitzar a 18 ± 2 °C amb un fotoperíode de 16:8 i un fotoperíode de 30,5 µmol m-2 s-1.L'espai del cap es va eliminar cada dos dies amb una xeringa estanca al gas i es va analitzar amb un mesurador de CO2 amb absorció d'infrarojos GEOTech G100 per determinar el percentatge de CO2 absorbit.Afegiu un volum igual de mescla de gasos CO2.
El % de fixació de CO2 es calcula de la següent manera: % de fixació de CO2 = 5% (v/v) – escriu %CO2 (equació 2) on P = pressió, V = volum, T = temperatura i R = constant de gas ideal.
Les taxes d'absorció de CO2 informades per a les suspensions de control de cianobacteris i biocomposites es van normalitzar a controls no biològics.La unitat funcional de g biomassa és la quantitat de biomassa seca immobilitzada a la tovallola.Es determina pesant mostres de lufa abans i després de la fixació cel·lular.Comptabilització de la massa de càrrega cel·lular (equivalent en biomassa) pesant individualment els preparats abans i després de l'assecat i calculant la densitat de la preparació cel·lular (equació 3).Se suposa que les preparacions cel·lulars són homogènies durant la fixació.
Per a l'anàlisi estadística es van utilitzar Minitab 18 i Microsoft Excel amb el complement RealStatistics.La normalitat es va provar mitjançant la prova d'Anderson-Darling i la igualtat de variàncies es va provar mitjançant la prova de Levene.Les dades que satisfan aquestes hipòtesis es van analitzar mitjançant l'anàlisi bidireccional de la variància (ANOVA) amb la prova de Tukey com a anàlisi post hoc.Les dades bidireccionals que no complien els supòsits de normalitat i variància igual es van analitzar mitjançant la prova Shirer-Ray-Hara i després la prova U de Mann-Whitney per determinar la importància entre tractaments.Es van utilitzar models lineals mixtos generalitzats (GLM) per a dades no normals amb tres factors, on les dades es van transformar mitjançant la transformada de Johnson63.Es van realitzar correlacions de moments dels productes Pearson per avaluar la relació entre la concentració de Texanol, la temperatura de transició vítrea i les dades de toxicitat i adhesió del làtex.
Hora de publicació: 05-gen-2023