Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Ademais, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos e JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositivas á vez.Use os botóns Anterior e Seguinte para moverse por tres diapositivas á vez, ou use os botóns deslizantes ao final para moverse por tres diapositivas á vez.
A captura e o almacenamento de carbono son fundamentais para acadar os obxectivos do Acordo de París.A fotosíntese é a tecnoloxía da natureza para capturar carbono.Inspirándonos nos líquenes, desenvolvemos un biocomposto fotosintético de cianobacterias en 3D (é dicir, imitando líquenes) utilizando un polímero de látex acrílico aplicado a unha esponxa de lufa.A taxa de absorción de CO2 polo biocomposto foi de 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 de biomasa d-1.A taxa de absorción baséase na biomasa seca ao comezo do experimento e inclúe o CO2 utilizado para cultivar nova biomasa, así como o CO2 contido en compostos de almacenamento como os carbohidratos.Estas taxas de absorción foron 14-20 veces superiores ás medidas de control de puríns e poderían ampliarse para capturar 570 t de biomasa de CO2 t-1 ao ano-1, o que equivale a 5,5-8,17 × 106 hectáreas de uso do solo, eliminando 8-12 GtCO2. CO2 ao ano.Pola contra, a bioenerxía forestal con captura e almacenamento de carbono é de 0,4–1,2 × 109 ha.O biocomposto permaneceu funcional durante 12 semanas sen nutrientes nin auga adicionais, despois do cal o experimento rematou.Dentro da multifacética postura tecnolóxica da humanidade para combater o cambio climático, os biocompostos de cianobacterias deseñados e optimizados teñen o potencial de implantación sostible e escalable para aumentar a eliminación de CO2 á vez que reducen as perdas de auga, nutrientes e uso da terra.
O cambio climático é unha ameaza real para a biodiversidade global, a estabilidade dos ecosistemas e as persoas.Para mitigar os seus peores efectos son necesarios programas de descarburación coordinados e a gran escala e, por suposto, é necesaria algunha forma de eliminación directa dos gases de efecto invernadoiro da atmosfera.A pesar da positiva descarbonización da xeración eléctrica2,3, na actualidade non existen solucións tecnolóxicas sostibles economicamente para reducir o dióxido de carbono (CO2)4 atmosférico, aínda que a captura de gases de combustión avanza5.En lugar de solucións de enxeñería escalables e prácticas, a xente debería recorrer a enxeñeiros naturais para a captura de carbono: organismos fotosintéticos (organismos fototróficos).A fotosíntese é a tecnoloxía de secuestro de carbono da natureza, pero a súa capacidade para revertir o enriquecemento de carbono antropoxénico en escalas de tempo significativas é cuestionable, os encimas son ineficientes e a súa capacidade de despregarse a escalas adecuadas é cuestionable.Unha vía potencial para a fototrofia é a forestación, que corta árbores para a bioenerxía con captura e almacenamento de carbono (BECCS) como tecnoloxía de emisións negativas que pode axudar a reducir as emisións netas de CO21.Non obstante, para acadar o obxectivo de temperatura de 1,5 °C do Acordo de París empregando BECCS como método principal requiriríase de 0,4 a 1,2 × 109 ha, o que equivale ao 25-75% da terra cultivable global actual6.Ademais, a incerteza asociada aos efectos globais da fertilización con CO2 pon en cuestión a potencial eficiencia global das plantacións forestais7.Se queremos alcanzar os obxectivos de temperatura establecidos polo Acordo de París, 100 segundos de GtCO2 de gases de efecto invernadoiro (GGR) deben ser eliminados da atmosfera cada ano.O Departamento de Investigación e Innovación do Reino Unido anunciou recentemente o financiamento de cinco proxectos GGR8, incluíndo xestión de turbeiras, meteorización mellorada das rochas, plantación de árbores, biochar e cultivos perennes para alimentar o proceso BECCS.Os custos de eliminar máis de 130 MtCO2 da atmosfera ao ano son de 10-100 USD/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 ao ano para a restauración de turbeiras, 52-480 USD/tCO2 e 12-27 MtCO2 ao ano para a meteorización das rochas. , 0,4-30 USD/ano.tCO2, 3,6 MtCO2/ano, aumento do 1% da superficie forestal, 0,4-30 USD/tCO2, 6-41 MtCO2/ano, biocarbón, 140-270 USD/tCO2, 20-70 Mt CO2 ao ano para cultivos permanentes que utilizan BECCS9.
Unha combinación destes enfoques podería alcanzar potencialmente o obxectivo de 130 Mt de CO2 ao ano, pero os custos da meteorización das rochas e do BECCS son elevados, e o biocarbón, aínda que é relativamente barato e non está relacionado co uso da terra, require materia prima para o proceso de produción de biocarbón.ofrece este desenvolvemento e número para despregar outras tecnoloxías GGR.
En lugar de buscar solucións na terra, busca auga, especialmente fotótrofos unicelulares como as microalgas e as cianobacterias10.As algas (incluídas as cianobacterias) captan aproximadamente o 50% do dióxido de carbono mundial, aínda que só representan o 1% da biomasa mundial11.As cianobacterias son os bioxeoenxeñeiros orixinais da natureza, sentando as bases para o metabolismo respiratorio e a evolución da vida pluricelular mediante a fotosíntese osíxena12.A idea de usar cianobacterias para capturar carbono non é nova, pero os métodos innovadores de colocación física abren novos horizontes para estes organismos antigos.
Os estanques abertos e os fotobiorreactores son activos predeterminados cando se utilizan microalgas e cianobacterias con fins industriais.Estes sistemas de cultivo utilizan un cultivo en suspensión no que as células flotan libremente nun medio de crecemento14;porén, os estanques e os fotobiorreactores teñen moitas desvantaxes, como a mala transferencia de masa de CO2, o uso intensivo da terra e da auga, a susceptibilidade á bioincrustación e os altos custos de construción e operación15,16.Os biorreactores de biopelícula que non usan cultivos en suspensión son máis económicos en termos de auga e espazo, pero corren o risco de danos por desecación, son propensos ao desprendimento de biopelículas (e, polo tanto, á perda de biomasa activa) e son igualmente propensos á bioincrustación17.
Son necesarios novos enfoques para aumentar a taxa de absorción de CO2 e abordar os problemas que limitan os reactores de purín e biopelícula.Un destes enfoques son os biocomposites fotosintéticos inspirados en liques.Os liques son un complexo de fungos e fotobiontes (microalgas e/ou cianobacterias) que cobren aproximadamente o 12% da superficie terrestre18.Os fungos proporcionan soporte físico, protección e ancoraxe do substrato fotobiótico, que á súa vez proporciona aos fungos carbono (como exceso de produtos fotosintéticos).O biocomposto proposto é un "liquen mimético", no que se inmobiliza unha poboación concentrada de cianobacterias en forma de biorevestimento fino sobre un substrato portador.Ademais das células, o biorevestimento contén unha matriz de polímero que pode substituír ao fungo.As emulsións de polímeros a base de auga ou "látexes" son preferibles porque son biocompatibles, duradeiros, económicos, fáciles de manexar e dispoñibles no comercio19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
A fixación das células con polímeros de látex está moi influenciada pola composición do látex e o proceso de formación da película.A polimerización en emulsión é un proceso heteroxéneo utilizado para producir caucho sintético, revestimentos adhesivos, selantes, aditivos para formigón, revestimentos de papel e téxtiles e pinturas de látex27.Ten unha serie de vantaxes sobre outros métodos de polimerización, como a alta velocidade de reacción e a eficiencia de conversión de monómeros, así como a facilidade de control do produto27,28.A elección dos monómeros depende das propiedades desexadas da película de polímero resultante, e para sistemas de monómeros mixtos (é dicir, copolimerizacións), as propiedades do polímero pódense cambiar seleccionando diferentes proporcións de monómeros que forman o material polimérico resultante.O acrilato de butilo e o estireno están entre os monómeros de látex acrílico máis comúns e úsanse aquí.Ademais, os axentes coalescentes (por exemplo, Texanol) utilízanse a miúdo para promover a formación de película uniforme onde poden alterar as propiedades do látex polimérico para producir un revestimento forte e "continuo" (coalescente).No noso estudo inicial de proba de concepto, fabricouse un biocomposto 3D de gran superficie e alta porosidade utilizando unha pintura de látex comercial aplicada a unha esponxa de lufa.Despois de longas e continuas manipulacións (oito semanas), o biocomposto mostrou unha capacidade limitada para reter as cianobacterias no andamio da lufa porque o crecemento celular debilitaba a integridade estrutural do látex.No estudo actual, pretendemos desenvolver unha serie de polímeros de látex acrílico de química coñecida para uso continuo en aplicacións de captura de carbono sen sacrificar a degradación do polímero.Ao facelo, demostramos a capacidade de crear elementos de matriz de polímero tipo liquen que proporcionan un rendemento biolóxico mellorado e unha elasticidade mecánica significativamente maior en comparación cos biocompostos probados.A optimización adicional acelerará a absorción de biocomposites para a captura de carbono, especialmente cando se combinan con cianobacterias modificadas metabólicamente para mellorar o secuestro de CO2.
Probáronse nove látex con tres formulacións de polímeros (H = "duro", N = "normal", S = "suave") e tres tipos de Texanol (0, 4, 12% v/v) para determinar a toxicidade e a correlación de cepas.Adhesivo.de dúas cianobacterias.O tipo de látex influíu significativamente en S. elongatus PCC 7942 (test de Shirer-Ray-Hare, látex: DF=2, H=23,157, P=<0,001) e CCAP 1479/1A (ANOVA bidireccional, látex: DF=2, F). = 103,93, P = < 0,001) (Fig. 1a).A concentración de texanol non afectou significativamente o crecemento de S. elongatus PCC 7942, só o N-látex non era tóxico (Fig. 1a), e 0 N e 4 N mantiveron un crecemento do 26% e 35%, respectivamente (Mann- Whitney U, 0 N fronte a 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N fronte ao control: W = 25,0, P = 0,061; 4 N fronte ao control: W = 25,0, P = 0,061) e 12 N mantiveron un crecemento comparable. ao control biolóxico (Universidade Mann-Whitney, 12 N vs. control: W = 17,0, P = 0,885).Para S. elongatus CCAP 1479/1A, tanto a mestura de látex como a concentración de texanol foron factores importantes, e observouse unha interacción significativa entre ambos (ANOVA bidireccional, látex: DF=2, F=103,93, P=<0,001, Texanol). : DF=2, F=5,96, P=0,01, Látex*Texanol: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N e todos os látex "brandos" promoveron o crecemento (Fig. 1a).Hai unha tendencia a mellorar o crecemento coa diminución da composición de estireno.
Ensaios de toxicidade e adhesión de cianobacterias (Synechococcus elongatus PCC 7942 e CCAP 1479/1A) a formulacións de látex, relación coa temperatura de transición vítrea (Tg) e matriz de decisión baseada en datos de toxicidade e adhesión.(a) Realizáronse as probas de toxicidade utilizando gráficos separados de crecemento porcentual de cianobacterias normalizados para controlar os cultivos en suspensión.Os tratamentos marcados con * son significativamente diferentes dos controis.(b) Datos de crecemento de cianobacterias fronte a látex Tg (media ± SD; n = 3).(c) O número acumulado de cianobacterias liberadas pola proba de adhesión do biocomposto.(d) Datos de adhesión fronte a Tg do látex (media ± StDev; n = 3).e Matriz de decisión baseada en datos de toxicidade e adhesión.A proporción de estireno e acrilato de butilo é de 1:3 para látex "duro" (H), 1:1 para "normal" (N) e 3:1 para "brando" (S).Os números anteriores do código de látex corresponden ao contido de Texanol.
Na maioría dos casos, a viabilidade celular diminuíu co aumento da concentración de texanol, pero non houbo correlación significativa para ningunha das cepas (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r). = – 0,127, P = 0,527).Sobre a fig.A figura 1b mostra a relación entre o crecemento celular e a temperatura de transición vítrea (Tg).Existe unha forte correlación negativa entre a concentración de texanol e os valores de Tg (látex H: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; Látex N: DF=7, r=-0,964, P=<0,001). S- látex: DF=7, r=-0,946, P=<0,001).Os datos mostraron que a Tg óptima para o crecemento de S. elongatus PCC 7942 era duns 17 °C (Figura 1b), mentres que S. elongatus CCAP 1479/1A favorecía a Tg por debaixo de 0 °C (Figura 1b).Só S. elongatus CCAP 1479/1A tivo unha forte correlación negativa entre os datos de Tg e de toxicidade (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Todos os látexes tiñan unha boa afinidade de adhesión, e ningún deles liberaba máis do 1% das células despois de 72 h (Fig. 1c).Non houbo diferenzas significativas entre os látex das dúas cepas de S. elongatus (PCC 7942: proba de Scheirer-Ray-Hara, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- proba de raios).– Proba da lebre, látex*texanol, DF=4, H=3,277, P=0,513).A medida que aumenta a concentración de Texanol, máis células son liberadas (Figura 1c).en comparación con S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Figura 1d).Ademais, non houbo ningunha relación estatística entre a Tg e a adhesión celular das dúas cepas (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Para ambas as cepas, os polímeros de látex "duros" foron ineficaces.Pola contra, 4N e 12N obtiveron mellor rendemento contra S. elongatus PCC 7942, mentres que 4S e 12S obtiveron mellor rendemento contra CCAP 1479/1A (Fig. 1e), aínda que hai claramente espazo para unha maior optimización da matriz polimérica.Estes polímeros utilizáronse en probas de absorción neta de CO2 semi-lote.
Monitorizouse a fotofisioloxía durante 7 días usando células suspendidas nunha composición acuosa de látex.En xeral, tanto a taxa de fotosíntese aparente (PS) como o rendemento cuántico máximo PSII (Fv/Fm) diminúen co tempo, pero esta diminución é desigual e algúns conxuntos de datos PS mostran unha resposta bifásica, o que suxire unha resposta parcial, aínda que a recuperación en tempo real. actividade de PS máis curta (Fig. 2a e 3b).A resposta bifásica Fv/Fm foi menos pronunciada (figuras 2b e 3b).
(a) Taxa de fotosíntese aparente (PS) e (b) rendemento cuántico PSII máximo (Fv/Fm) de Synechococcus elongatus PCC 7942 en resposta a formulacións de látex en comparación cos cultivos en suspensión control.A proporción de estireno e acrilato de butilo é de 1:3 para látex "duro" (H), 1:1 para "normal" (N) e 3:1 para "brando" (S).Os números anteriores do código de látex corresponden ao contido de Texanol.(media ± desviación estándar; n = 3).
(a) Taxa de fotosíntese aparente (PS) e (b) rendemento cuántico PSII máximo (Fv/Fm) de Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A en resposta a formulacións de látex en comparación cos cultivos en suspensión control.A proporción de estireno e acrilato de butilo é de 1:3 para látex "duro" (H), 1:1 para "normal" (N) e 3:1 para "brando" (S).Os números anteriores do código de látex corresponden ao contido de Texanol.(media ± desviación estándar; n = 3).
Para S. elongatus PCC 7942, a composición do látex e a concentración de Texanol non afectaron a PS ao longo do tempo (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), aínda que a composición foi un factor importante (GLM)., látex*tempo, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Fig. 2a).Non houbo ningún efecto significativo da concentración de Texanol ao longo do tempo (GLM, Texanol*tempo, DF=14, F=1,63, P=0,078).Houbo unha interacción significativa que afectaba a Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4.54, P=<0.001).A interacción entre a formulación de látex e a concentración de Texanol tivo un efecto significativo sobre Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180.42, P=<0.001).Cada parámetro tamén afecta a Fv/Fm ao longo do tempo (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9.91, P=<0.001 e Texanol*Time, DF=14, F=10.71, P=<0.001).O látex 12H mantivo os valores medios máis baixos de PS e Fv/Fm (Fig. 2b), o que indica que este polímero é máis tóxico.
PS de S. elongatus CCAP 1479/1A foi significativamente diferente (GLM, látex * Texanol * tempo, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), con composición de látex en lugar de concentración de texanol (GLM, Latex*time, DF). =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*tempo, DF=14, F=1,26, P=0,239).Os polímeros "blandos" 0S e 4S mantiveron niveis lixeiramente máis altos de rendemento de PS que as suspensións de control (Mann-Whitney U, 0S versus controis, W = 686.0, P = 0.044, 4S versus controis, W = 713, P = 0.01) e mantiveron un Fv mellorado./Fm (Fig. 3a) mostra un transporte máis eficiente ao Photosystem II.Para os valores de Fv/Fm das células CCAP 1479/1A, houbo unha diferenza significativa de látex ao longo do tempo (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6.00, P=<0.001) (Figura 3b).).
Sobre a fig.A figura 4 mostra a media de PS e Fv/Fm durante un período de 7 días en función do crecemento celular de cada cepa.S. elongatus PCC 7942 non tiña un patrón claro (Fig. 4a e b), con todo, CCAP 1479/1A mostrou unha relación parabólica entre os valores PS (Fig. 4c) e Fv/Fm (Fig. 4d) como o as proporcións de estireno e acrilato de butilo crecen co cambio.
Relación entre o crecemento e a fotofisioloxía de Synechococcus longum en preparacións de látex.(a) Datos de toxicidade representados fronte á taxa fotosintética aparente (PS), (b) rendemento cuántico máximo de PSII (Fv/Fm) de PCC 7942. c Datos de toxicidade representados contra PS e d Fv/Fm CCAP 1479/1A.A proporción de estireno e acrilato de butilo é de 1:3 para látex "duro" (H), 1:1 para "normal" (N) e 3:1 para "brando" (S).Os números anteriores do código de látex corresponden ao contido de Texanol.(media ± desviación estándar; n = 3).
O biocomposto PCC 7942 tivo un efecto limitado na retención celular cunha lixiviación celular significativa durante as catro primeiras semanas (Figura 5).Despois da fase inicial de captación de CO2, as células fixadas con látex 12 N comezaron a liberar CO2, e este patrón persistiu entre os días 4 e 14 (Fig. 5b).Estes datos son consistentes coas observacións de decoloración do pigmento.A absorción neta de CO2 comezou de novo a partir do día 18. A pesar da liberación celular (Fig. 5a), o biocomposto PCC 7942 12 N aínda acumulou máis CO2 que a suspensión de control durante 28 días, aínda que lixeiramente (proba U de Mann-Whitney, W = 2275,5; P = 0,066).A taxa de absorción de CO2 polo látex 12 N e 4 N é de 0,51 ± 0,34 e 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 de biomasa d-1.Houbo unha diferenza estatisticamente significativa entre os niveis de tratamento e de tempo (test de Chairer-Ray-Hare, tratamento: DF=2, H=70,62, P=<0,001 tempo: DF=13, H=23,63, P=0,034), pero non estaba.houbo unha relación significativa entre o tratamento e o tempo (proba de Chairer-Ray-Har, tempo*tratamento: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Probas de absorción de CO2 de medio lote en biocomposites Synechococcus elongatus PCC 7942 usando látex 4N e 12N.(a) As imaxes mostran a liberación celular e a decoloración do pigmento, así como imaxes SEM do biocomposto antes e despois da proba.As liñas brancas de puntos indican os lugares de deposición celular no biocomposto.(b) Absorción neta acumulada de CO2 durante un período de catro semanas.O látex "normal" (N) ten unha proporción de estireno e acrilato de butilo de 1:1.Os números anteriores do código de látex corresponden ao contido de Texanol.(media ± desviación estándar; n = 3).
A retención celular mellorou significativamente para a cepa CCAP 1479/1A con 4S e 12S, aínda que o pigmento cambiou de cor lentamente ao longo do tempo (Fig. 6a).O biocomposite CCAP 1479/1A absorbe CO2 durante 84 días completos (12 semanas) sen suplementos nutricionais adicionais.A análise SEM (Fig. 6a) confirmou a observación visual do desprendemento de pequenas células.Inicialmente, as células estaban encerradas nun revestimento de látex que mantivo a súa integridade a pesar do crecemento celular.A taxa de absorción de CO2 foi significativamente maior que o grupo control (proba de Scheirer-Ray-Har, tratamento: DF=2; H=240,59; P=<0,001, tempo: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Fig. 6b).O biocomposite 12S alcanzou a maior absorción de CO2 (1,57 ± 0,08 g de biomasa de CO2 g-1 por día), mentres que o látex 4S foi de 1,13 ± 0,41 g de biomasa de CO2 g-1 por día, pero non diferiron significativamente (Mann-Whitney U). ., W = 1507,50; P = 0,07) e sen interacción significativa entre o tratamento e o tempo (proba de Shirer-Rey-Hara, tempo * tratamento: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Ensaio de absorción de CO2 de medio lote utilizando biocomposites Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A con látex 4N e 12N.(a) As imaxes mostran a liberación celular e a decoloración do pigmento, así como imaxes SEM do biocomposto antes e despois da proba.As liñas brancas de puntos indican os lugares de deposición celular no biocomposto.(b) Absorción neta acumulada de CO2 durante o período de doce semanas.O látex "suave" (S) ten unha proporción de estireno e acrilato de butilo de 1:1.Os números anteriores do código de látex corresponden ao contido de Texanol.(media ± desviación estándar; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (proba de Shirer-Ray-Har, tempo*tratamento: DF=4, H=3,243, P=0,518) ou biocomposto S. elongatus CCAP 1479/1A (dous ANOVA, tempo*tratamento: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (Fig. S4).O biocomposite PCC 7942 tivo o maior contido de hidratos de carbono na semana 2 (4 N = 59,4 ± 22,5 % en peso, 12 N = 67,9 ± 3,3 % en peso), mentres que a suspensión control tivo o maior contido de hidratos de carbono na semana 4 cando (control = 59,6 ± 2,84 %). w/w).O contido total de hidratos de carbono do biocomposto CCAP 1479/1A foi comparable á suspensión control, excepto ao inicio do ensaio, con algúns cambios no látex 12S na semana 4. Os valores máis altos para o biocomposto foron 51,9 ± 9,6% en peso. para 4S e 77,1 ± 17,0% en peso para 12S.
Propuxémonos demostrar as posibilidades de deseño para mellorar a integridade estrutural dos revestimentos de polímeros de látex de película fina como un compoñente importante do concepto de biocomposite de imitación de liquen sen sacrificar a biocompatibilidade ou o rendemento.De feito, se se superan os desafíos estruturais asociados ao crecemento celular, agardamos melloras significativas no rendemento sobre os nosos biocompostos experimentais, que xa son comparables a outros sistemas de captura de carbono de cianobacterias e microalgas.
Os revestimentos deben ser non tóxicos, duradeiros, soportar a adhesión celular a longo prazo e deben ser porosos para promover unha transferencia eficiente de masa de CO2 e a desgasificación de O2.Os polímeros acrílicos de tipo látex son fáciles de preparar e son moi utilizados nas industrias de pinturas, téxtiles e adhesivos30.Combinamos cianobacterias cunha emulsión de polímero de látex acrílico a base de auga polimerizada cunha proporción específica de partículas de estireno/acrilato de butilo e varias concentracións de Texanol.Elixíronse estireno e acrilato de butilo para poder controlar as propiedades físicas, especialmente a elasticidade e a eficacia de coalescencia do revestimento (crítico para un revestimento forte e altamente adhesivo), permitindo a síntese de agregados de partículas "duras" e "brandas".Os datos de toxicidade suxiren que o látex "duro" cun alto contido de estireno non é propicio para a supervivencia das cianobacterias.A diferenza do acrilato de butilo, o estireno considérase tóxico para as algas32,33.As cepas de cianobacterias reaccionaron de forma bastante diferente ao látex, e determinouse a temperatura de transición vítrea (Tg) óptima para S. elongatus PCC 7942, mentres que S. elongatus CCAP 1479/1A mostrou unha relación lineal negativa con Tg.
A temperatura de secado afecta a capacidade de formar unha película de látex uniforme e continua.Se a temperatura de secado está por debaixo da temperatura mínima de formación de película (MFFT), as partículas de látex de polímero non se unirán completamente, o que resultará na adhesión só na interface das partículas.As películas resultantes teñen pouca adhesión e resistencia mecánica e mesmo poden estar en forma de po29.A MFFT está estreitamente relacionada coa Tg, que se pode controlar mediante a composición de monómeros e a adición de coalescentes como o Texanol.A Tg determina moitas das propiedades físicas do revestimento resultante, que pode estar en estado gomoso ou vítreo34.Segundo a ecuación de Flory-Fox35, a Tg depende do tipo de monómero e da composición porcentual relativa.A adición de coalescente pode diminuír a MFFT mediante a supresión intermitente da Tg das partículas de látex, o que permite a formación de película a temperaturas máis baixas, pero aínda así forma un revestimento duro e forte porque o coalescente se evapora lentamente co paso do tempo ou foi extraído 36 .
Aumentar a concentración de Texanol promove a formación de película ao suavizar as partículas de polímero (reducindo a Tg) debido á absorción polas partículas durante o secado, aumentando así a forza da película cohesiva e a adhesión celular.Debido a que o biocomposto se seca a temperatura ambiente (~18-20 °C), a Tg (30 a 55 °C) do látex "duro" é superior á temperatura de secado, o que significa que a coalescencia das partículas pode non ser óptima, o que resulta en Películas B que permanecen vítreas, propiedades mecánicas e adhesivas pobres, elasticidade e difusividade limitadas30 conducen finalmente a unha maior perda celular.A formación de película a partir de polímeros "normais" e "brandos" ocorre na Tg da película de polímero ou por debaixo, e a formación de película mellora a coalescencia, dando lugar a películas de polímeros continuos con propiedades mecánicas, cohesivas e adhesivas melloradas.A película resultante permanecerá gomosa durante os experimentos de captura de CO2 debido a que a súa Tg está próxima á (mestura normal: 12 a 20 ºC) ou moito máis baixa á temperatura ambiente 30 .O látex “duro” (3,4 a 2,9 kgf mm–1) é tres veces máis duro que o látex “normal” (1,0 a 0,9 kgf mm–1).A dureza dos látex "brandos" non se pode medir pola microdureza debido á súa excesiva goma e pegajosidade a temperatura ambiente.A carga superficial tamén pode afectar á afinidade de adhesión, pero son necesarios máis datos para proporcionar información significativa.Non obstante, todos os látexes retiveron efectivamente as células, liberando menos do 1%.
A produtividade da fotosíntese diminúe co paso do tempo.A exposición ao poliestireno leva á ruptura da membrana e ao estrés oxidativo38,39,40,41.Os valores de Fv/Fm de S. elongatus CCAP 1479/1A expostos a 0S e 4S foron case o dobre en comparación co control de suspensión, o que concorda ben coa taxa de absorción de CO2 do biocomposto 4S, así como con valores medios máis baixos de PS.valores.Valores máis altos de Fv/Fm indican que o transporte de electróns a PSII pode entregar máis fotóns42, o que pode producir taxas de fixación de CO2 máis altas.Non obstante, hai que ter en conta que os datos fotofisiolóxicos obtivéronse de células suspendidas en solucións acuosas de látex e poden non ser necesariamente comparables directamente cos biocompostos maduros.
Se o látex crea unha barreira para o intercambio de luz e/ou gas que provoca unha restrición de luz e CO2, pode causar estrés celular e reducir o rendemento, e se afecta á liberación de O2, a fotorrespiración39.Avaliouse a transmisión da luz dos revestimentos curados: o látex “duro” mostrou unha lixeira diminución da transmisión da luz entre 440 e 480 nm (mellorado en parte ao aumentar a concentración de Texanol debido á mellora da coalescencia da película), mentres que “suave” e “regular”. ” o látex mostrou unha lixeira diminución na transmisión da luz.non mostra ningunha perda notable de perdas.Os ensaios, así como todas as incubacións, realizáronse con baixa intensidade de luz (30,5 µmol m-2 s-1), polo que calquera radiación fotosintéticamente activa debida á matriz polimérica será compensada e mesmo pode ser útil para evitar a fotoinhibición.con intensidades luminosas prexudiciais.
O biocomposite CCAP 1479/1A funcionou durante os 84 días de proba, sen recambio de nutrientes nin perda importante de biomasa, que é un obxectivo fundamental do estudo.A despigmentación celular pode estar asociada a un proceso de clorose en resposta á inanición de nitróxeno para lograr unha supervivencia a longo prazo (estado de repouso), o que pode axudar ás células a retomar o crecemento despois de que se consiga unha acumulación suficiente de nitróxeno.As imaxes SEM confirmaron que as células permanecían dentro do revestimento a pesar da división celular, demostrando a elasticidade do látex "suave" e mostrando así unha clara vantaxe sobre a versión experimental.O látex "suave" contén aproximadamente un 70% de acrilato de butilo (en peso), que é moito maior que a concentración indicada para un revestimento flexible despois do secado44.
A absorción neta de CO2 foi significativamente maior que a da suspensión de control (14-20 e 3-8 veces maior para S. elongatus CCAP 1479/1A e PCC 7942, respectivamente).Anteriormente, utilizamos un modelo de transferencia de masa de CO2 para demostrar que o principal impulsor da alta absorción de CO2 é un forte gradiente de concentración de CO2 na superficie do biocomposto31 e que o rendemento do biocomposto pode verse limitado pola resistencia á transferencia de masa.Este problema pódese superar incorporando no látex ingredientes non tóxicos e que non forman película para aumentar a porosidade e a permeabilidade do revestimento26, pero a retención celular pode verse comprometida xa que esta estratexia dará lugar inevitablemente a unha película máis débil20.A composición química pódese modificar durante a polimerización para aumentar a porosidade, que é a mellor opción, sobre todo no que se refire á produción industrial e á escalabilidade45.
O rendemento do novo biocomposite en comparación cos estudos recentes utilizando biocomposites de microalgas e cianobacterias mostrou vantaxes para axustar a taxa de carga celular (táboa 1)21,46 e con tempos de análise máis longos (84 días fronte a 15 horas46 e 3 semanas21).
O contido volumétrico de hidratos de carbono nas células compárase favorablemente con outros estudos47,48,49,50 que utilizan cianobacterias e úsase como un criterio potencial para aplicacións de captura e utilización/recuperación de carbono, como para os procesos de fermentación BECCS49,51 ou para a produción de biodegradables. bioplásticos 52 .Como parte do fundamento deste estudo, asumimos que a forestación, mesmo considerada no concepto de emisións negativas BECCS, non é unha panacea para o cambio climático e consome unha parte alarmante das terras cultivables do mundo6.Como experimento mental, estimouse que sería necesario eliminar entre 640 e 950 GtCO2 da atmosfera para 2100 para limitar o aumento da temperatura global a 1,5 °C53 (uns 8 a 12 GtCO2 ao ano).Conseguilo cun biocomposite de mellor rendemento (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 biomasa ao ano-1) requiriría unha expansión do volume de 5,5 × 1010 a 8,2 × 1010 m3 (cunha eficiencia fotosintética comparable), que contén de 196 a 2,92 millóns de litros. polímero.Asumindo que 1 m3 de biocompostos ocupa 1 m2 de superficie terrestre, a superficie necesaria para absorber o CO2 total anual obxectivo situarase entre 5,5 e 8,17 millóns de hectáreas, o que equivale ao 0,18-0,27% do apto para a vida dos terreos no trópicos e reducir a superficie terrestre.necesidade de BECCS nun 98-99%.Cómpre sinalar que a relación de captura teórica baséase na absorción de CO2 rexistrada con pouca luz.Tan pronto como o biocomposto está exposto a unha luz natural máis intensa, a taxa de absorción de CO2 aumenta, reducindo aínda máis os requisitos de terra e inclinando a balanza cara ao concepto de biocomposto.Non obstante, a implementación debe estar no ecuador para unha intensidade e duración constantes da luz de fondo.
O efecto global da fertilización con CO2, é dicir, o aumento da produtividade da vexetación provocado polo aumento da dispoñibilidade de CO2, diminuíu na maioría das superficies terrestres, probablemente debido a cambios nos principais nutrientes do solo (N e P) e nos recursos hídricos7.Isto significa que a fotosíntese terrestre pode non levar a un aumento da absorción de CO2, a pesar das elevadas concentracións de CO2 no aire.Neste contexto, as estratexias terrestres de mitigación do cambio climático como BECCS teñen aínda menos probabilidades de ter éxito.Se se confirma este fenómeno global, o noso biocomposto inspirado en liques podería ser un activo clave, transformando microbios fotosintéticos acuáticos unicelulares en "axentes terrestres".A maioría das plantas terrestres fixan o CO2 a través da fotosíntese C3, mentres que as plantas C4 son máis favorables para hábitats máis cálidos e secos e son máis eficientes a presións parciais de CO254 máis altas.As cianobacterias ofrecen unha alternativa que podería compensar as alarmantes previsións de redución da exposición ao dióxido de carbono nas plantas C3.As cianobacterias superaron as limitacións fotorrespiratorias ao desenvolver un mecanismo eficiente de enriquecemento de carbono no que se presentan presións parciais máis altas de CO2 e que se manteñen pola ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilase/osixenase (RuBisCo) dentro dos carboxisomas da contorna.Se se pode aumentar a produción de biocompostos de cianobacterias, este podería converterse nunha arma importante para a humanidade na loita contra o cambio climático.
Os biocomposites (imitadores de liquen) ofrecen claras vantaxes sobre os cultivos convencionais en suspensión de microalgas e cianobacterias, proporcionando maiores taxas de absorción de CO2, minimizando os riscos de contaminación e prometendo evitar o CO2 competitivo.Os custos reducen significativamente o uso da terra, da auga e dos nutrientes56.Este estudo demostra a viabilidade de desenvolver e fabricar un látex biocompatible de alto rendemento que, cando se combina cunha esponxa de lufa como substrato candidato, pode proporcionar unha absorción eficiente e eficaz de CO2 durante meses de cirurxía mantendo a perda celular ao mínimo.Os biocomposites poderían teoricamente capturar aproximadamente 570 t CO2 t-1 de biomasa ao ano e poden resultar máis importantes que as estratexias de forestación BECCS na nosa resposta ao cambio climático.Cunha optimización adicional da composición do polímero, probas con intensidades de luz máis altas e combinadas cunha elaborada enxeñaría metabólica, os bioxeoenxeñeiros orixinais da natureza poden volver ao rescate.
Os polímeros de látex acrílico preparáronse cunha mestura de monómeros de estireno, acrilato de butilo e ácido acrílico, e o pH axustouse a 7 con hidróxido de sodio 0,1 M (táboa 2).O estireno e o acrilato de butilo constitúen a maior parte das cadeas de polímero, mentres que o ácido acrílico axuda a manter as partículas de látex en suspensión57.As propiedades estruturais do látex están determinadas pola temperatura de transición vítrea (Tg), que se controla cambiando a relación de estireno e acrilato de butilo, que proporciona propiedades "duras" e "brandas", respectivamente58.Un polímero de látex acrílico típico é o estireno 50:50: acrilato de butilo 30, polo que neste estudo o látex con esta proporción denomínase látex "normal", e o látex cun contido máis alto de estireno denomínase látex cun contido inferior en estireno. .chamado "suave" como "duro".
Preparouse unha emulsión primaria usando auga destilada (174 g), bicarbonato sódico (0,5 g) e surfactante Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) para estabilizar as 30 gotas de monómero.Usando unha xeringa de vidro (Science Glass Engineering) cunha bomba de xiringa, engadiuse unha alícuota secundaria que contén estireno, acrilato de butilo e ácido acrílico que figuran na Táboa 2 a unha velocidade de 100 ml h-1 á emulsión primaria durante 4 horas (Cole). -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Prepare unha solución de iniciador de polimerización 59 usando dHO e persulfato de amonio (100 ml, 3% p/p).
Agite a solución que contén dHO (206 g), bicarbonato de sodio (1 g) e Rhodapex Ab/20 (4,42 g) usando un agitador superior (Heidolph Hei-TORQUE valor 100) cunha hélice de aceiro inoxidable e quenta a 82 °C nun recipiente con camisa de auga nun baño de auga quentado VWR Scientific 1137P.Unha solución de peso reducido de monómero (28,21 g) e iniciador (20,60 g) engadiuse gota a gota ao recipiente con camisa e axitouse durante 20 minutos.Mestura vigorosamente as solucións restantes de monómero (150 ml h-1) e iniciador (27 ml h-1) para manter as partículas en suspensión ata que se engaden á camisa de auga durante 5 h utilizando xeringas de 10 ml e 100 ml respectivamente nun recipiente. .completado cunha bomba de xeringa.A velocidade do axitador aumentou debido ao aumento do volume de suspensión para garantir a retención da suspensión.Despois de engadir o iniciador e a emulsión, a temperatura de reacción elevouse a 85 °C, axitouse ben a 450 rpm durante 30 minutos e despois arrefríese a 65 °C.Despois do arrefriamento, engadíronse ao látex dúas solucións de desprazamento: hidroperóxido de terc-butilo (t-BHP) (70 % en auga) (5 g, 14 % en peso) e ácido isoascórbico (5 g, 10 % en peso)..Engade gota a pinga t-BHP e déixase 20 minutos.Engadiuse entón ácido eritórbico a unha velocidade de 4 ml/h desde unha xeringa de 10 ml utilizando unha bomba de xeringa.A disolución de látex arrefriouse a temperatura ambiente e axustouse a pH 7 con hidróxido de sodio 0,1 M.
O monoisobutirato de 2,2,4-trimetil-1,3-pentanodiol (Texanol) - coalescente biodegradable de baixa toxicidade para pinturas de látex 37,60 - engadiuse cunha xeringa e bomba en tres volumes (0, 4, 12% v/v) como axente coalescente para a mestura de látex para facilitar a formación de película durante o secado37.A porcentaxe de sólidos de látex determinouse colocando 100 µl de cada polímero en tapas de folla de aluminio prepesadas e secando nun forno a 100 °C durante 24 horas.
Para a transmisión da luz, cada mestura de látex aplicouse a un portaobjetos de microscopio usando un cubo de gota de aceiro inoxidable calibrado para producir películas de 100 µm e secou a 20 °C durante 48 horas.A transmisión da luz (focalizada na radiación fotosintéticamente activa, λ 400–700 nm) foi medida nun espectroradiómetro ILT950 SpectriLight cun sensor a unha distancia de 35 cm dunha lámpada fluorescente de 30 W (Sylvania Luxline Plus, n = 6), onde a luz fonte foron cianobacterias e organismos Consérvanse materiais compostos.Utilizouse a versión 3.5 do software SpectrILight III para rexistrar a iluminación e a transmisión no intervalo λ 400–700 nm61.Todas as mostras colocáronse enriba do sensor e utilizáronse láminas de vidro sen recubrir como controis.
As mostras de látex engadíronse a unha fonte de silicona e deixáronse secar durante 24 horas antes de probar a dureza.Coloque a mostra de látex seca nunha tapa de aceiro baixo un microscopio x10.Despois de enfocar, as mostras avaliáronse nun probador de microdureza Buehler Micromet II.A mostra foi sometida a unha forza de 100 a 200 gramos e o tempo de carga fixouse en 7 segundos para crear unha abolladura de diamante na mostra.A impresión foi analizada usando un obxectivo de microscopio Bruker Alicona × 10 con software adicional de medición de forma.Utilizouse a fórmula de dureza de Vickers (ecuación 1) para calcular a dureza de cada látex, onde HV é o número de Vickers, F é a forza aplicada e d é a media das diagonais de sangría calculada a partir da altura e do ancho do látex.valor de sangría.Non se pode medir o látex "suave" debido á adhesión e estiramento durante a proba de sangría.
Para determinar a temperatura de transición vítrea (Tg) da composición de látex, colocáronse mostras de polímero en pratos de xel de sílice, secáronse durante 24 horas, pesáronse ata 0,005 g e colocáronse en pratos de mostras.O prato foi tapado e colocado nun colorímetro de dixitalización diferencial (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, software de análise de datos Pyris)62.O método de fluxo de calor úsase para colocar vasos de referencia e vasos de mostra no mesmo forno cunha sonda de temperatura incorporada para medir a temperatura.Utilizáronse un total de dúas ramplas para crear unha curva consistente.O método de mostra foi elevado repetidamente de -20 °C a 180 °C a unha velocidade de 20 °C por minuto.Cada punto de inicio e final gárdase durante 1 minuto para ter en conta o desfase de temperatura.
Para avaliar a capacidade do biocomposto para absorber CO2, preparáronse e ensaiáronse mostras do mesmo xeito que no noso estudo anterior31.O pano seco e autoclavado foi cortado en tiras de aproximadamente 1×1×5 cm e pesouse.Aplique 600 µl dos dous biorevestimentos máis eficaces de cada cepa de cianobacterias nun extremo de cada tira de lufa, cubrindo aproximadamente 1 × 1 × 3 cm, e seque á escuridade a 20 °C durante 24 horas.Debido á estrutura macroporosa da lufa, parte da fórmula desperdiciouse, polo que a eficiencia de carga das células non foi do 100%.Para superar este problema, determinouse o peso da preparación seca na lufa e normalizouse coa preparación seca de referencia.De xeito similar preparáronse controis abióticos consistentes en lufa, látex e medio nutriente estéril.
Para realizar unha proba de absorción de CO2 de medio lote, coloque o biocomposto (n = 3) nun tubo de vidro de 50 ml de xeito que un extremo do biocomposto (sen o biorevestimento) estea en contacto con 5 ml de medio de crecemento, permitindo que o nutriente ser transportado por acción capilar..A botella está pechada cunha cortiza de goma butílica cun diámetro de 20 mm e engastada cunha tapa de aluminio prateada.Unha vez selado, inxecta 45 ml de CO2/aire ao 5% cunha agulla estéril unida a unha xeringa estanca ao gas.A densidade celular da suspensión de control (n = 3) foi equivalente á carga celular do biocomposto no medio nutritivo.As probas realizáronse a 18 ± 2 °C cun fotoperíodo de 16:8 e un fotoperíodo de 30,5 µmol m-2 s-1.O espazo da cabeza eliminouse cada dous días cunha xiringa estanca aos gases e analizouse cun medidor de CO2 con absorción infravermella GEOTech G100 para determinar a porcentaxe de CO2 absorbido.Engade un volume igual de mestura de gases CO2.
% CO2 Fix calcúlase do seguinte xeito: % CO2 Fix = 5% (v/v) – escriba %CO2 (ecuación 2) onde P = presión, V = volume, T = temperatura e R = constante do gas ideal.
Normalizáronse as taxas de absorción de CO2 das suspensións control de cianobacterias e biocompostos a controis non biolóxicos.A unidade funcional de g biomasa é a cantidade de biomasa seca inmobilizada no pano.Determínase pesando mostras de lufa antes e despois da fixación celular.Contabilización da masa de carga celular (equivalente de biomasa) pesando individualmente os preparados antes e despois do secado e calculando a densidade da preparación celular (ecuación 3).Suponse que as preparacións celulares son homoxéneas durante a fixación.
Para a análise estatística utilizáronse Minitab 18 e Microsoft Excel co complemento RealStatistics.Probouse a normalidade mediante a proba de Anderson-Darling e a igualdade de varianzas coa proba de Levene.Os datos que satisfacen estas suposicións foron analizados mediante a análise de varianza bidireccional (ANOVA) coa proba de Tukey como análise post hoc.Os datos bidireccionais que non cumprían os supostos de normalidade e varianza igual foron analizados mediante a proba de Shirer-Ray-Hara e despois a proba U de Mann-Whitney para determinar a significación entre tratamentos.Utilizáronse modelos mixtos lineais xeneralizados (GLM) para datos non normais con tres factores, onde os datos foron transformados mediante a transformada de Johnson63.Realizáronse correlacións de momentos dos produtos Pearson para avaliar a relación entre a concentración de Texanol, a temperatura de transición vítrea e os datos de toxicidade e adhesión do látex.
Hora de publicación: 05-xan-2023