Ակտիվ ֆոտոսինթետիկ կենսակոմպոզիտներ են մշակվել՝ բարելավելու ածխածնի կենսաբանական սեկվեստրը:

Շնորհակալություն Nature.com այցելելու համար:Դուք օգտագործում եք զննարկչի տարբերակ՝ CSS-ի սահմանափակ աջակցությամբ:Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել Համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում):Բացի այդ, շարունակական աջակցություն ապահովելու համար մենք կայքը ցուցադրում ենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Ցուցադրում է միանգամից երեք սլայդներից բաղկացած կարուսել:Օգտագործեք «Նախորդ» և «Հաջորդ» կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդներով շարժվելու համար, կամ օգտագործեք վերջում գտնվող սլայդերի կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդների միջով անցնելու համար:
Ածխածնի որսումն ու պահպանումը էական նշանակություն ունեն Փարիզի համաձայնագրի նպատակներին հասնելու համար:Ֆոտոսինթեզը բնության տեխնոլոգիա է ածխածնի որսման համար:Ոգեշնչվելով քարաքոսերից՝ մենք մշակեցինք 3D ցիանոբակտերիաների ֆոտոսինթետիկ կենսակոմպոզիտ (այսինքն՝ նմանակող քարաքոս)՝ օգտագործելով ակրիլ լատեքսային պոլիմեր, որը կիրառվել է լոֆա սպունգի վրա:Կենսակոմպոզիտի կողմից CO2-ի կլանման արագությունը կազմել է 1,57 ± 0,08 գ CO2 գ-1 կենսազանգվածի d-1:Կլանման արագությունը հիմնված է փորձի սկզբում չոր կենսազանգվածի վրա և ներառում է CO2, որն օգտագործվում է նոր կենսազանգված աճեցնելու համար, ինչպես նաև CO2, որը պարունակվում է պահեստային միացություններում, ինչպիսիք են ածխաջրերը:Այս կլանման տեմպերը 14-20 անգամ ավելի բարձր էին, քան ցեխի վերահսկման միջոցառումները և կարող էին պոտենցիալ մասշտաբվել մինչև 570 տ CO2 t-1 կենսազանգված կլանելու տարեկան-1, որը համարժեք է 5,5-8,17 × 106 հեկտար հողօգտագործման՝ հեռացնելով 8-12 GtCO2: CO2 տարեկան:Ի հակադրություն, անտառային բիոէներգիան ածխածնի ներգրավմամբ և պահպանմամբ կազմում է 0,4–1,2 × 109 հա:Կենսակոմպոզիտը 12 շաբաթ մնաց ֆունկցիոնալ առանց լրացուցիչ սննդանյութերի կամ ջրի, որից հետո փորձը դադարեցվեց:Կլիմայի փոփոխության դեմ պայքարի մարդկության բազմակողմանի տեխնոլոգիական դիրքորոշման շրջանակներում մշակված և օպտիմիզացված ցիանոբակտերիալ կենսակոմպոզիտները կայուն և մասշտաբային տեղակայման ներուժ ունեն՝ ավելացնելու CO2-ի հեռացումը` միաժամանակ նվազեցնելով ջրի, սննդանյութերի և հողօգտագործման կորուստները:
Կլիմայի փոփոխությունն իրական սպառնալիք է գլոբալ կենսաբազմազանության, էկոհամակարգի կայունության և մարդկանց համար:Դրա վատագույն հետևանքները մեղմելու համար անհրաժեշտ են համակարգված և լայնածավալ ածխաթթվացման ծրագրեր, և, իհարկե, անհրաժեշտ է մթնոլորտից ջերմոցային գազերի ուղղակի հեռացում:Չնայած էլեկտրաէներգիայի արտադրության դրական ածխաթթվացմանը2,3, ներկայումս չկան տնտեսապես կայուն տեխնոլոգիական լուծումներ մթնոլորտում ածխաթթու գազը (CO2)4 նվազեցնելու համար, թեև ծխատար գազերի ներգրավումը առաջընթաց է ապրում5:Մասշտաբային և գործնական ինժեներական լուծումների փոխարեն մարդիկ պետք է դիմեն բնական ինժեներներին՝ ածխածնի որսման համար՝ ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմներ (լուսանկարիչ օրգանիզմներ):Ֆոտոսինթեզը բնության ածխածնի սեկվեստրավորման տեխնոլոգիան է, սակայն դրա կարողությունը հակադարձելու մարդածին ածխածնի հարստացումը իմաստալից ժամանակային մասշտաբներով կասկածելի է, ֆերմենտներն անարդյունավետ են, և դրա կարողությունը՝ համապատասխան մասշտաբներով տեղակայվելու, կասկածելի է:Ֆոտոտրոֆիայի պոտենցիալ ճանապարհը անտառապատումն է, որը կտրում է ծառերը կենսաէներգիայի համար՝ ածխածնի հավաքման և պահպանման միջոցով (BECCS)՝ որպես բացասական արտանետումների տեխնոլոգիա, որը կարող է օգնել նվազեցնել CO21 զուտ արտանետումները:Այնուամենայնիվ, Փարիզի համաձայնագրի 1,5°C ջերմաստիճանի թիրախը հասնելու համար՝ օգտագործելով BECCS որպես հիմնական մեթոդ, կպահանջվի 0,4-ից 1,2 × 109 հա, որը համարժեք է ներկայիս համաշխարհային վարելահողերի 25-75%-ին6:Բացի այդ, CO2-ի պարարտացման գլոբալ ազդեցության հետ կապված անորոշությունը կասկածի տակ է դնում անտառային տնկարկների պոտենցիալ ընդհանուր արդյունավետությունը7:Եթե ​​մենք ուզում ենք հասնել Փարիզի համաձայնագրով սահմանված ջերմաստիճանի թիրախներին, ամեն տարի մթնոլորտից պետք է հեռացվի ջերմոցային գազերի 100 վայրկյան GtCO2 (GGR):Միացյալ Թագավորության Հետազոտությունների և Նորարարության դեպարտամենտը վերջերս հայտարարեց ֆինանսավորման հինգ GGR8 նախագծերի համար, ներառյալ տորֆային հողերի կառավարումը, ժայռերի ուժեղացված եղանակային պայմանները, ծառատունկը, բիոքարը և բազմամյա մշակաբույսերը՝ BECCS գործընթացը կերակրելու համար:Մթնոլորտից ավելի քան 130 MtCO2-ի հեռացման ծախսերը տարեկան կազմում են 10-100 US$/tCO2, 0.2-8.1 MtCO2 տարեկան տորֆահողերի վերականգնման համար, 52-480 US$/tCO2 և 12-27 MtCO2 տարեկան ժայռերի քայքայման համար: , 0,4-30 ԱՄՆ դոլար/տարեկան:tCO2, 3.6 MtCO2/տարեկան, անտառային տարածքի 1% աճ, 0.4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/տարեկան, կենսաածխաջրեր, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 տարեկան՝ մշտական ​​մշակաբույսերի համար. BECCS9.
Այս մոտեցումների համակցությունը պոտենցիալ կարող է հասնել տարեկան 130 Mt CO2-ի թիրախին, սակայն ժայռերի կեղտաջրերի և BECCS-ի ծախսերը բարձր են, և բիոքարը, թեև համեմատաբար էժան և ոչ հողօգտագործման հետ կապված, պահանջում է հումք կենսաքառի արտադրության գործընթացի համար:առաջարկում է այս զարգացումը և համարը այլ GGR տեխնոլոգիաներ տեղակայելու համար:
Ցամաքում լուծումներ փնտրելու փոխարեն՝ փնտրեք ջուր, հատկապես միաբջիջ ֆոտոտրոֆներ, ինչպիսիք են միկրոջրիմուռները և ցիանոբակտերիաները10:Ջրիմուռները (ներառյալ ցիանոբակտերիաները) գրավում են աշխարհի ածխաթթու գազի մոտավորապես 50%-ը, թեև դրանք կազմում են աշխարհի կենսազանգվածի միայն 1%-ը11:Ցիանոբակտերիաները բնության բնօրինակ բիոգեոինժեներներն են, որոնք հիմք են դնում շնչառական նյութափոխանակության և բազմաբջիջ կյանքի էվոլյուցիայի համար թթվածնային ֆոտոսինթեզի միջոցով12:Ածխածինը որսալու համար ցիանոբակտերիաներ օգտագործելու գաղափարը նոր չէ, սակայն ֆիզիկական տեղաբաշխման նորարարական մեթոդները նոր հորիզոններ են բացում այս հնագույն օրգանիզմների համար:
Բաց լճակները և ֆոտոբիոռեակտորները լռելյայն ակտիվներ են, երբ օգտագործվում են միկրոջրիմուռներ և ցիանոբակտերիաներ արդյունաբերական նպատակներով:Այս կուլտուրայի համակարգերը օգտագործում են կասեցման կուլտուրա, որում բջիջներն ազատորեն լողում են աճի միջավայրում14;Այնուամենայնիվ, լճակներն ու ֆոտոբիոռեակտորներն ունեն բազմաթիվ թերություններ, ինչպիսիք են՝ CO2-ի զանգվածի վատ փոխանցումը, հողի և ջրի ինտենսիվ օգտագործումը, բիովաղտոտման նկատմամբ զգայունությունը և շինարարության և շահագործման բարձր ծախսերը15,16:Կենսաթաղանթի կենսառեակտորները, որոնք չեն օգտագործում կասեցման կուլտուրաներ, ավելի խնայող են ջրի և տարածության առումով, սակայն ենթակա են չորացման վնասման, հակված են բիոֆիլմի անջատմանը (հետևաբար ակտիվ կենսազանգվածի կորստին) և հավասարապես հակված են կենսածածկման17:
Նոր մոտեցումներ են անհրաժեշտ՝ բարձրացնելու CO2-ի կլանման արագությունը և լուծելու այն խնդիրները, որոնք սահմանափակում են ցեխի և բիոֆիլմի ռեակտորները:Նման մոտեցումներից մեկը ֆոտոսինթետիկ կենսակոմպոզիտներն են, որոնք ոգեշնչված են քարաքոսերից:Քարաքոսերը սնկերի և ֆոտոբիոնտների (միկրոջրիմուռներ և/կամ ցիանոբակտերիաներ) համալիր են, որոնք զբաղեցնում են Երկրի ցամաքային տարածքի մոտավորապես 12%-ը18:Սնկերը ապահովում են ֆոտոբիոտիկ սուբստրատի ֆիզիկական աջակցություն, պաշտպանություն և ամրացում, որն իր հերթին սնկերին ապահովում է ածխածնով (որպես ավելցուկային ֆոտոսինթետիկ արտադրանք):Առաջարկվող բիոկոմպոզիտը «քարաքոսերի միմետիկ» է, որտեղ ցիանոբակտերիաների կենտրոնացված պոպուլյացիան անշարժացված է բարակ կենսածածկույթի տեսքով կրող սուբստրատի վրա:Բջիջներից բացի, կենսածածկույթը պարունակում է պոլիմերային մատրիցա, որը կարող է փոխարինել բորբոսը:Ջրի վրա հիմնված պոլիմերային էմուլսիաները կամ «լատեքսները» նախընտրելի են, քանի որ դրանք կենսահամատեղելի են, դիմացկուն, էժան, հեշտ կառավարելի և առևտրային հասանելի19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26:
Բջիջների ամրագրումը լատեքսային պոլիմերներով մեծապես ազդում է լատեքսի բաղադրության և թաղանթի ձևավորման գործընթացի վրա։Էմուլսիոն պոլիմերացումը տարասեռ գործընթաց է, որն օգտագործվում է սինթետիկ կաուչուկի, կպչուն ծածկույթների, հերմետիկ նյութերի, բետոնի հավելումների, թղթի և տեքստիլի ծածկույթների և լատեքսային ներկերի արտադրության համար27:Այն ունի մի շարք առավելություններ պոլիմերացման այլ մեթոդների նկատմամբ, ինչպիսիք են ռեակցիայի բարձր արագությունը և մոնոմերի փոխակերպման արդյունավետությունը, ինչպես նաև արտադրանքի վերահսկման հեշտությունը27,28:Մոնոմերների ընտրությունը կախված է ստացված պոլիմերային թաղանթի ցանկալի հատկություններից, իսկ խառը մոնոմերային համակարգերի դեպքում (այսինքն՝ համապոլիմերացումները) պոլիմերի հատկությունները կարող են փոխվել՝ ընտրելով մոնոմերների տարբեր հարաբերակցություններ, որոնք կազմում են ստացված պոլիմերային նյութը:Բուտիլ ակրիլատը և ստիրոլը ամենատարածված ակրիլային լատեքսային մոնոմերներից են և օգտագործվում են այստեղ:Բացի այդ, միաձուլող նյութերը (օրինակ՝ Տեխանոլը) հաճախ օգտագործվում են միատեսակ թաղանթի ձևավորումը խթանելու համար, որտեղ նրանք կարող են փոխել պոլիմերային լատեքսի հատկությունները՝ ստեղծելով ամուր և «շարունակական» (միաձուլվող) ծածկույթ:Մեր նախնական հայեցակարգի ապացուցման ուսումնասիրության մեջ բարձր մակերեսով, բարձր ծակոտկենությամբ 3D բիոկոմպոզիտ է արտադրվել՝ օգտագործելով առևտրային լատեքսային ներկ, որը կիրառվել է լոֆա սպունգի վրա:Երկար և շարունակական մանիպուլյացիաներից հետո (ութ շաբաթ) բիոկոմպոզիտը ցույց տվեց ցիանոբակտերիաները լոֆայի փայտամածի վրա պահելու սահմանափակ կարողություն, քանի որ բջիջների աճը թուլացնում էր լատեքսի կառուցվածքային ամբողջականությունը:Ընթացիկ ուսումնասիրության ընթացքում մենք նպատակ ունեինք մշակել հայտնի քիմիայի ակրիլային լատեքսային պոլիմերների շարք՝ շարունակական օգտագործման համար ածխածնի յուրացման ծրագրերում՝ առանց պոլիմերների քայքայման զոհաբերելու:Դրանով մենք ցուցադրել ենք քարաքոսերի նմանվող պոլիմերային մատրիցային տարրեր ստեղծելու ունակություն, որոնք ապահովում են կենսաբանական բարելավված կատարում և զգալիորեն ավելացնում մեխանիկական առաձգականությունը՝ համեմատած ապացուցված կենսակոմպոզիտների հետ:Հետագա օպտիմիզացումը կարագացնի ածխածնի յուրացման համար կենսակոմպոզիտների ընդունումը, հատկապես, երբ զուգակցվում է ցիանոբակտերիաների հետ, որոնք մետաբոլիկ ձևափոխված են՝ բարձրացնելու CO2-ի սեկվեստրումը:
Ինը լատեքս՝ երեք պոլիմերային ձևակերպումներով (H = «կոշտ», N = «նորմալ», S = «փափուկ») և երեք տեսակի տեքսանոլ (0, 4, 12% v/v) փորձարկվել են թունավորության և լարվածության հարաբերակցության համար:Սոսինձ.երկու ցիանոբակտերիայից:Լատեքսի տեսակը զգալիորեն ազդել է S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Hare թեստ, լատեքս՝ DF=2, H=23.157, P=<0.001) և CCAP 1479/1A (երկկողմանի ANOVA, լատեքս՝ DF=2, F): = 103,93, P = < 0,001) (նկ. 1ա):Տեխանոլի կոնցենտրացիան էականորեն չի ազդել S. elongatus PCC 7942-ի աճի վրա, միայն N-լատեքսն է ոչ թունավոր (նկ. 1ա), իսկ 0 N և 4 N-ը պահպանել են համապատասխանաբար 26% և 35% աճ (Mann- Whitney U, 0 N ընդդեմ 4 N: W = 13.50, P = 0.245; 0 N համեմատ վերահսկողության: W = 25.0, P = 0.061; 4 N ընդդեմ վերահսկողության: W = 25.0, P = 0.061) և 12 N պահպանել աճը համեմատելի կենսաբանական հսկողության համար (Mann-Whitney University, 12 N ընդդեմ վերահսկողության. W = 17.0, P = 0.885):S. elongatus CCAP 1479/1A-ի համար և՛ լատեքսի խառնուրդը, և՛ տեքսանոլի կոնցենտրացիան կարևոր գործոններ էին, և զգալի փոխազդեցություն է նկատվել երկուսի միջև (երկկողմանի ANOVA, լատեքս՝ DF=2, F=103,93, P=<0,001, Տեխանոլ DF=2, F=5,96, P=0,01, լատեքս*Տեխանոլ՝ DF=4, F=3,41, P=0,03):0 N և բոլոր «փափուկ» լատեքսները նպաստում են աճին (նկ. 1ա):Աճը բարելավելու միտում կա ստիրոլի կազմի նվազմամբ։
Ցիանոբակտերիաների (Synechococcus elongatus PCC 7942 և CCAP 1479/1A) թունավորության և կպչունության փորձարկում լատեքսային ձևակերպումներին, կապ ապակու անցման ջերմաստիճանի (Tg) և որոշման մատրիցի հետ՝ հիմնված թունավորության և կպչման տվյալների վրա:ա) Թունավորության փորձարկումն իրականացվել է ցիանոբակտերիաների տոկոսային աճի առանձին սյուժեների միջոցով, որոնք նորմալացված են կասեցման մշակույթները վերահսկելու համար:*-ով նշված բուժումները զգալիորեն տարբերվում են հսկիչներից:բ) Ցիանոբակտերիաների աճի տվյալները Tg լատեքսի համեմատ (միջին ± SD; n = 3):գ) կենսակոմպոզիտային կպչունության փորձարկումից ազատված ցիանոբակտերիաների կուտակային թիվը.դ) Կպչունության տվյալները լատեքսի Tg-ի համեմատ (միջին ± StDev; n = 3):ե Որոշման մատրիցա՝ հիմնված թունավորության և կպչունության տվյալների վրա:Ստիրոլի և բուտիլակրիլատի հարաբերակցությունը 1:3 է «կոշտ» (H) լատեքսի համար, 1:1 «նորմալ» (N) և 3:1 «փափուկ» (S):Լատեքսային ծածկագրի նախորդ թվերը համապատասխանում են Texanol-ի պարունակությանը։
Շատ դեպքերում բջիջների կենսունակությունը նվազում էր տեխանոլի կոնցենտրացիայի աճով, սակայն որևէ շտամների համար էական հարաբերակցություն չկար (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527):Նկ.1b-ը ցույց է տալիս բջիջների աճի և ապակու անցման ջերմաստիճանի (Tg) միջև կապը:Կա ուժեղ բացասական հարաբերակցություն տեխանոլի կոնցենտրացիայի և Tg արժեքների միջև (H-լատեքս՝ DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-լատեքս՝ DF=7, r=-0,964, P=<0,001 S- լատեքս՝ DF=7, r=-0,946, P=<0,001):Տվյալները ցույց տվեցին, որ S. elongatus PCC 7942-ի աճի օպտիմալ Tg-ը եղել է մոտ 17 °C (Նկար 1b), մինչդեռ S. elongatus CCAP 1479/1A-ն ձեռնտու է Tg-ին 0 °C-ից ցածր (Նկար 1b):Միայն S. elongatus CCAP 1479/1A-ն ուներ ուժեղ բացասական հարաբերակցություն Tg-ի և թունավորության տվյալների միջև (DF=25, r=-0,857, P=<0,001):
Բոլոր լատեքսներն ունեին լավ կպչողական կապ, և նրանցից ոչ մեկը 72 ժամ հետո չարձակեց բջիջների 1%-ից ավելին (նկ. 1c):S. elongatus-ի երկու շտամների լատեքսների միջև էական տարբերություն չկար (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara test, Latex*Texanol, DF=4, H=0.903; P=0.924; CCAP 1479/1A: Scheirer- ճառագայթային թեստ):– Նապաստակի թեստ, լատեքս*տեքսանոլ, DF=4, H=3,277, P=0,513):Քանի որ Texanol-ի կոնցենտրացիան մեծանում է, ավելի շատ բջիջներ են ազատվում (Նկար 1c):համեմատ S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0.660, P=<0.001) (Նկար 1d):Ավելին, չկար վիճակագրական կապ Tg-ի և երկու շտամների բջիջների կպչման միջև (PCC 7942: DF=25, r=0.301, P=0.127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0.287, P=0.147):
Երկու շտամների համար էլ «կոշտ» լատեքսային պոլիմերներն անարդյունավետ էին:Ի հակադրություն, 4N-ը և 12N-ը լավագույնս դրսևորվեցին S. elongatus PCC 7942-ի նկատմամբ, մինչդեռ 4S-ը և 12S-ը լավագույնս դրսևորվեցին CCAP 1479/1A-ի դեմ (նկ. 1e), թեև ակնհայտորեն տեղ կա պոլիմերային մատրիցայի հետագա օպտիմալացման համար:Այս պոլիմերներն օգտագործվել են կիսափուլային զուտ CO2-ի կլանման փորձարկումներում:
Ֆոտոֆիզիոլոգիան մշտադիտարկվել է 7 օր՝ ջրային լատեքսային բաղադրության մեջ կասեցված բջիջների միջոցով:Ընդհանուր առմամբ, և՛ ֆոտոսինթեզի ակնհայտ արագությունը (PS) և՛ առավելագույն PSII քվանտային ելքը (Fv/Fm) ժամանակի ընթացքում նվազում են, բայց այս նվազումը անհավասար է, և որոշ PS տվյալների հավաքածուներ ցույց են տալիս երկֆազային արձագանք՝ առաջարկելով մասնակի արձագանք, թեև իրական ժամանակում վերականգնում: PS-ի ավելի կարճ ակտիվություն (նկ. 2ա և 3բ):Երկֆազային Fv/Fm արձագանքն ավելի քիչ արտահայտված էր (Նկարներ 2b և 3b):
ա) Synechococcus elongatus PCC 7942-ի ֆոտոսինթեզի ակնհայտ արագությունը (PS) և (բ) առավելագույն PSII քվանտային ելքը (Fv/Fm)՝ ի պատասխան լատեքսային ձևակերպումների՝ համեմատած հսկիչ կասեցման մշակույթների հետ:Ստիրոլի և բուտիլակրիլատի հարաբերակցությունը 1:3 է «կոշտ» (H) լատեքսի համար, 1:1 «նորմալ» (N) և 3:1 «փափուկ» (S):Լատեքսային ծածկագրի նախորդ թվերը համապատասխանում են Texanol-ի պարունակությանը։(միջին ± ստանդարտ շեղում; n = 3):
ա) Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A ֆոտոսինթեզի ակնհայտ արագությունը (PS) և (բ) առավելագույն PSII քվանտային ելքը (Fv/Fm)՝ ի պատասխան լատեքսային ձևակերպումների՝ համեմատած հսկիչ կասեցման մշակույթների հետ:Ստիրոլի և բուտիլակրիլատի հարաբերակցությունը 1:3 է «կոշտ» (H) լատեքսի համար, 1:1 «նորմալ» (N) և 3:1 «փափուկ» (S):Լատեքսային ծածկագրի նախորդ թվերը համապատասխանում են Texanol-ի պարունակությանը։(միջին ± ստանդարտ շեղում; n = 3):
S. elongatus PCC 7942-ի համար լատեքսի բաղադրությունը և Տեխանոլի կոնցենտրացիան ժամանակի ընթացքում չեն ազդել PS-ի վրա (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), թեև կազմը կարևոր գործոն էր (GLM):, լատեքս*ժամանակ, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (նկ. 2ա):Ժամանակի ընթացքում Texanol-ի կոնցենտրացիայի էական ազդեցություն չի եղել (GLM, Texanol*time, DF=14, F=1.63, P=0.078):Եղել է զգալի փոխազդեցություն, որը ազդում է Fv/Fm-ի վրա (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4.54, P=<0.001):Լատեքսի ձևավորման և Տեքսանոլի կոնցենտրացիայի փոխազդեցությունը զգալի ազդեցություն ունեցավ Fv/Fm-ի վրա (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180.42, P=<0.001):Յուրաքանչյուր պարամետր ժամանակի ընթացքում ազդում է նաև Fv/Fm-ի վրա (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9.91, P=<0.001 և Texanol*Time, DF=14, F=10.71, P=< 0.001):Լատեքս 12H-ը պահպանել է PS և Fv/Fm միջին արժեքները (նկ. 2b), ինչը ցույց է տալիս, որ այս պոլիմերն ավելի թունավոր է:
S. elongatus CCAP 1479/1A-ի PS-ը զգալիորեն տարբերվում էր (GLM, լատեքս * Տեխանոլ * ժամանակ, DF = 28, F = 2.75, P = <0.001), լատեքսի բաղադրությամբ, այլ ոչ թե տեքսանոլի կոնցենտրացիայով (GLM, Latex*time, DF: =14, F=6.38, P=<0.001, GLM, Texanol*time, DF=14, F=1.26, P=0.239):«Փափուկ» պոլիմերները 0S և 4S պահպանեցին PS-ի կատարողականի մի փոքր ավելի բարձր մակարդակ, քան հսկիչ կախոցները (Mann-Whitney U, 0S ընդդեմ հսկիչների, W = 686.0, P = 0.044, 4S ընդդեմ հսկիչների, W = 713, P = 0.01) և պահպանեցին բարելավված Fv./Fm (նկ. 3ա) ցույց է տալիս ավելի արդյունավետ փոխադրում դեպի Photosystem II:CCAP 1479/1A բջիջների Fv/Fm արժեքների համար ժամանակի ընթացքում եղել է զգալի լատեքսային տարբերություն (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6.00, P=<0.001) (Նկար 3b):)
Նկ.4-ը ցույց է տալիս միջին PS-ն և Fv/Fm-ը 7 օրվա ընթացքում՝ որպես յուրաքանչյուր շտամի բջիջների աճի ֆունկցիա:S. elongatus PCC 7942-ը չուներ հստակ օրինաչափություն (նկ. 4ա և բ), այնուամենայնիվ, CCAP 1479/1A ցույց տվեց պարաբոլիկ հարաբերություն PS (նկ. 4c) և Fv/Fm (նկ. 4d) արժեքների միջև, քանի որ ստիրոլի և բուտիլակրիլատի հարաբերակցությունը աճում է փոփոխության հետ:
Synechococcus longum-ի աճի և ֆոտոֆիզիոլոգիայի կապը լատեքսային պատրաստուկների վրա.(ա) Թունավորության տվյալներ գծագրված ակնհայտ ֆոտոսինթետիկ արագության վրա (PS), (բ) PCC 7942-ի առավելագույն PSII քվանտային ելքը (Fv/Fm): գ Թունավորության տվյալները գծագրված PS-ի և d Fv/Fm CCAP 1479/1A-ի նկատմամբ:Ստիրոլի և բուտիլակրիլատի հարաբերակցությունը 1:3 է «կոշտ» (H) լատեքսի համար, 1:1 «նորմալ» (N) և 3:1 «փափուկ» (S):Լատեքսային ծածկագրի նախորդ թվերը համապատասխանում են Texanol-ի պարունակությանը։(միջին ± ստանդարտ շեղում; n = 3):
Կենսակոմպոզիտ PCC 7942-ը սահմանափակ ազդեցություն ունեցավ բջիջների պահպանման վրա՝ բջիջների զգալի տարրալվացման դեպքում առաջին չորս շաբաթվա ընթացքում (Նկար 5):CO2-ի կլանման սկզբնական փուլից հետո 12 N լատեքսով ամրացված բջիջները սկսեցին արտազատել CO2, և այս օրինաչափությունը պահպանվեց 4-րդ և 14-րդ օրերի միջև (նկ. 5b):Այս տվյալները համապատասխանում են պիգմենտների գունաթափման դիտարկումներին:CO2-ի զուտ կլանումը նորից սկսվեց 18-րդ օրվանից: Չնայած բջիջների արտազատմանը (նկ. 5ա), PCC 7942 12 N կենսակոմպոզիտը դեռևս 28 օրվա ընթացքում կուտակել է ավելի շատ CO2, քան վերահսկիչ կախոցը, թեև մի փոքր (Mann-Whitney U-test, W = 2275.5; P = 0,066):12 N և 4 N լատեքսով CO2-ի կլանման արագությունը կազմում է 0,51 ± 0,34 և 1,18 ± 0,29 գ CO2 գ-1 կենսազանգվածի d-1:Բուժման և ժամանակի մակարդակների միջև վիճակագրորեն զգալի տարբերություն կար (Chairer-Ray-Hare թեստ, բուժում՝ DF=2, H=70.62, P=<0.001 ժամանակ՝ DF=13, H=23.63, P=0.034), սակայն այն. չէր:զգալի կապ կար բուժման և ժամանակի միջև (Chairer-Ray-Har թեստ, ժամանակ*բուժում՝ DF=26, H=8.70, P=0.999):
CO2-ի կես խմբաքանակի կլանման թեստեր Synechococcus elongatus PCC 7942 կենսակոմպոզիտների վրա՝ օգտագործելով 4N և 12N լատեքս:(ա) Պատկերները ցույց են տալիս բջիջների արտազատումը և պիգմենտի գունաթափումը, ինչպես նաև բիոկոմպոզիտի SEM պատկերները փորձարկումից առաջ և հետո:Սպիտակ կետավոր գծերը ցույց են տալիս բիոկոմպոզիտի վրա բջիջների նստեցման վայրերը:բ) CO2-ի կուտակային զուտ կլանումը չորս շաբաթվա ընթացքում:«Նորմալ» (N) լատեքսն ունի ստիրոլի և բուտիլակրիլատի հարաբերակցությունը 1:1:Լատեքսային ծածկագրի նախորդ թվերը համապատասխանում են Texanol-ի պարունակությանը։(միջին ± ստանդարտ շեղում; n = 3):
Բջիջների պահպանումը զգալիորեն բարելավվել է CCAP 1479/1A շտամի համար 4S-ով և 12S-ով, թեև գունանյութը ժամանակի ընթացքում դանդաղ փոխում է գույնը (նկ. 6ա):Biocomposite CCAP 1479/1A-ն կլանում է CO2-ը ամբողջ 84 օր (12 շաբաթ) առանց լրացուցիչ սննդային հավելումների:SEM վերլուծությունը (նկ. 6ա) հաստատեց փոքր բջիջների ջոկատի տեսողական դիտարկումը:Սկզբում բջիջները պատված էին լատեքսային ծածկույթով, որը պահպանում էր իր ամբողջականությունը՝ չնայած բջիջների աճին:CO2-ի կլանման արագությունը զգալիորեն ավելի բարձր էր, քան վերահսկիչ խումբը (Scheirer-Ray-Har թեստ, բուժում՝ DF=2; H=240.59; P=<0.001, ժամանակ՝ DF=42; H=112; P=<0.001) ( Նկար 6բ):12S բիոկոմպոզիտը հասել է CO2-ի ամենաբարձր կլանմանը (1,57 ± 0,08 գ CO2 գ-1 կենսազանգված օրական), մինչդեռ 4S լատեքսը կազմել է օրական 1,13 ± 0,41 գ CO2 գ-1 կենսազանգված, բայց դրանք էապես չեն տարբերվել (Mann-Whitney U): թեստ, W = 1507,50; P = 0,07) և բուժման և ժամանակի միջև նշանակալի փոխազդեցություն չկա (Shirer-Rey-Hara թեստ, ժամանակ * բուժում. DF = 82; H = 10 ,37; P = 1,000):
Կես լոտ CO2-ի կլանման փորձարկում՝ օգտագործելով Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A կենսակոմպոզիտները 4N և 12N լատեքսով:(ա) Պատկերները ցույց են տալիս բջիջների արտազատումը և պիգմենտի գունաթափումը, ինչպես նաև բիոկոմպոզիտի SEM պատկերները փորձարկումից առաջ և հետո:Սպիտակ կետավոր գծերը ցույց են տալիս բիոկոմպոզիտի վրա բջիջների նստեցման վայրերը:բ) CO2-ի կուտակային զուտ կլանումը տասներկու շաբաթվա ընթացքում:«Փափուկ» (S) լատեքսն ունի ստիրոլի և բուտիլակրիլատի հարաբերակցությունը 1:1:Լատեքսային ծածկագրի նախորդ թվերը համապատասխանում են Texanol-ի պարունակությանը։(միջին ± ստանդարտ շեղում; n = 3):
S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Har թեստ, ժամանակ*բուժում՝ DF=4, H=3.243, P=0.518) կամ բիոկոմպոզիտ S. elongatus CCAP 1479/1A (երկու-ANOVA, ժամանակ*բուժում՝ DF=8): , F = 1,79, P = 0,119) (նկ. S4):Բիոկոմպոզիտ PCC 7942-ն ուներ ածխաջրերի ամենաբարձր պարունակությունը 2-րդ շաբաթվա ընթացքում (4 N = 59,4 ± 22,5 wt%, 12 N = 67,9 ± 3,3 wt%), մինչդեռ հսկիչ կախոցն ուներ ամենաբարձր ածխաջրերի պարունակությունը 4-րդ շաբաթում, երբ (վերահսկում = 59,6% ± 28): w/w):CCAP 1479/1A կենսակոմպոզիտի ածխաջրերի ընդհանուր պարունակությունը համեմատելի էր հսկիչ կասեցման հետ, բացառությամբ փորձարկման սկզբի, 4-րդ շաբաթվա 12S լատեքսի որոշ փոփոխություններով: Կենսակոմպոզիտի համար ամենաբարձր արժեքները եղել են 51,9 ± 9,6 wt%: 4S-ի համար և 77,1 ± 17,0 wt% 12S-ի համար:
Մենք ձեռնամուխ եղանք ցուցադրելու նախագծման հնարավորությունները բարակ թաղանթով լատեքսային պոլիմերային ծածկույթների կառուցվածքային ամբողջականության բարձրացման համար՝ որպես քարաքոսերի նմանակող կենսակոմպոզիտային հայեցակարգի կարևոր բաղադրիչ՝ առանց բիոհամատեղելիության կամ կատարողականի զոհաբերության:Իսկապես, եթե հաղթահարվեն բջիջների աճի հետ կապված կառուցվածքային մարտահրավերները, մենք ակնկալում ենք կատարողականի զգալի բարելավումներ մեր փորձարարական բիոկոմպոզիտների նկատմամբ, որոնք արդեն համեմատելի են ցիանոբակտերիաների և միկրոջրիմուռների ածխածնի գրավման այլ համակարգերի հետ:
Ծածկույթները պետք է լինեն ոչ թունավոր, դիմացկուն, ապահովեն բջիջների երկարատև կպչունությունը և պետք է լինեն ծակոտկեն՝ խթանելու CO2 զանգվածի արդյունավետ փոխանցումը և O2-ի գազազերծումը:Լատեքսային ակրիլային պոլիմերները հեշտ են պատրաստվում և լայնորեն կիրառվում են ներկերի, տեքստիլի և սոսնձման արդյունաբերության մեջ30:Մենք համակցեցինք ցիանոբակտերիաները ջրի վրա հիմնված ակրիլ լատեքսային պոլիմերային էմուլսիայի հետ, որը պոլիմերացված է ստիրոլի/բութիլակրիլատի մասնիկների հատուկ հարաբերակցությամբ և Տեխանոլի տարբեր կոնցենտրացիաներով:Ստիրոլը և բուտիլակրիլատը ընտրվել են, որպեսզի կարողանան վերահսկել ծածկույթի ֆիզիկական հատկությունները, հատկապես առաձգականությունը և միաձուլման արդյունավետությունը (կարևոր է ամուր և բարձր կպչուն ծածկույթի համար), ինչը թույլ է տալիս «կոշտ» և «փափուկ» մասնիկների ագրեգատների սինթեզը:Թունավորության վերաբերյալ տվյալները ցույց են տալիս, որ ստիրոլի բարձր պարունակությամբ «կոշտ» լատեքսը չի նպաստում ցիանոբակտերիաների գոյատևմանը:Ի տարբերություն բուտիլակրիլատի, ստիրոլը համարվում է թունավոր ջրիմուռների համար32,33:Ցիանոբակտերիաների շտամները միանգամայն տարբեր կերպ արձագանքեցին լատեքսին, և ապակու անցման օպտիմալ ջերմաստիճանը (Tg) որոշվեց S. elongatus PCC 7942-ի համար, մինչդեռ S. elongatus CCAP 1479/1A ցույց տվեց բացասական գծային հարաբերություն Tg-ի հետ:
Չորացման ջերմաստիճանը ազդում է շարունակական միասնական լատեքսային թաղանթ ձևավորելու ունակության վրա:Եթե ​​չորացման ջերմաստիճանը ցածր է թաղանթի ձևավորման նվազագույն ջերմաստիճանից (MFFT), ապա պոլիմերային լատեքսի մասնիկները լիովին չեն միաձուլվի, ինչը կպչունանա միայն մասնիկների միջերեսում:Ստացված թաղանթները վատ կպչունություն և մեխանիկական ուժ ունեն և կարող են լինել նույնիսկ փոշու տեսքով29:MFFT-ը սերտորեն կապված է Tg-ի հետ, որը կարող է վերահսկվել մոնոմերի բաղադրությամբ և միաձուլվող նյութերի ավելացմամբ, ինչպիսին է Texanol-ը:Tg-ն որոշում է ստացված ծածկույթի ֆիզիկական հատկություններից շատերը, որոնք կարող են լինել ռետինե կամ ապակյա վիճակում34:Ըստ Ֆլորի-Ֆոքսի հավասարման35, Tg-ն կախված է մոնոմերի տեսակից և հարաբերական տոկոսային կազմից։Միաձուլվող նյութի ավելացումը կարող է նվազեցնել MFFT-ը լատեքսի մասնիկների Tg-ի ընդհատվող ճնշման միջոցով, ինչը թույլ է տալիս թաղանթ ձևավորել ավելի ցածր ջերմաստիճաններում, բայց դեռևս ձևավորում է կոշտ և ամուր ծածկույթ, քանի որ միաձուլումը դանդաղորեն գոլորշիանում է ժամանակի ընթացքում կամ արդյունահանվել է 36:
Տեխանոլի կոնցենտրացիայի ավելացումը նպաստում է թաղանթի ձևավորմանը՝ փափկեցնելով պոլիմերային մասնիկները (նվազեցնելով Tg)՝ մասնիկների կողմից չորացման ընթացքում կլանվելու պատճառով, դրանով իսկ մեծացնելով համակցված թաղանթի ուժը և բջիջների կպչունությունը:Քանի որ բիոկոմպոզիտը չորանում է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում (~18–20°C), «կոշտ» լատեքսի Tg-ն (30-ից 55 °C) ավելի բարձր է, քան չորացման ջերմաստիճանը, ինչը նշանակում է, որ մասնիկների միաձուլումը կարող է օպտիմալ չլինել, ինչը հանգեցնում է. B թաղանթները, որոնք մնում են ապակենման, վատ մեխանիկական և կպչուն հատկությունների, սահմանափակ առաձգականության և ցրման30, ի վերջո հանգեցնում են բջիջների ավելի մեծ կորստի:«Նորմալ» և «փափուկ» պոլիմերներից թաղանթների ձևավորումը տեղի է ունենում պոլիմերային թաղանթի Tg-ի վրա կամ դրանից ցածր, իսկ թաղանթի ձևավորումը բարելավվում է բարելավված միաձուլման արդյունքում, ինչը հանգեցնում է շարունակական պոլիմերային թաղանթների՝ բարելավված մեխանիկական, կպչուն և կպչուն հատկություններով:Ստացված թաղանթը կմնա ռետինե CO2-ի ներգրավման փորձերի ժամանակ, քանի որ դրա Tg-ը մոտ է («նորմալ» խառնուրդ՝ 12-ից 20 ºC) կամ շատ ավելի ցածր («փափուկ» խառնուրդ՝ -21-ից -13 °C) շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանին 30:«Կոշտ» լատեքսը (3,4-ից 2,9 կգ/մմ–1) երեք անգամ ավելի կարծր է, քան «սովորական» լատեքսը (1,0-ից 0,9 կգֆմմ–1):«Փափուկ» լատեքսների կարծրությունը չի կարող չափվել միկրոկարծրությամբ՝ սենյակային ջերմաստիճանում դրանց չափից ավելի ռետինեության և կպչունության պատճառով:Մակերեւութային լիցքը կարող է ազդել նաև կպչունության վրա, սակայն ավելի շատ տվյալներ են անհրաժեշտ՝ իմաստալից տեղեկատվություն տրամադրելու համար:Այնուամենայնիվ, բոլոր լատեքսները արդյունավետորեն պահպանեցին բջիջները՝ ազատելով 1%-ից պակաս:
Ֆոտոսինթեզի արտադրողականությունը ժամանակի ընթացքում նվազում է։Պոլիստիրոլի ազդեցությունը հանգեցնում է թաղանթների խզման և օքսիդատիվ սթրեսի38,39,40,41:S. elongatus CCAP 1479/1A-ի Fv/Fm արժեքները, որոնք ենթարկվել են 0S-ին և 4S-ին, գրեթե երկու անգամ ավելի բարձր են՝ համեմատած կասեցման հսկողության հետ, որը լավ համընկնում է 4S կենսակոմպոզիտի CO2-ի կլանման արագության հետ, ինչպես նաև՝ ցածր միջին PS արժեքներ:արժեքներ։Fv/Fm ավելի բարձր արժեքները ցույց են տալիս, որ էլեկտրոնների տեղափոխումը դեպի PSII կարող է ավելի շատ ֆոտոններ մատակարարել42, ինչը կարող է հանգեցնել CO2-ի ֆիքսման ավելի բարձր արագության:Այնուամենայնիվ, պետք է նշել, որ ֆոտոֆիզիոլոգիական տվյալներ են ստացվել ջրային լատեքսային լուծույթներում կասեցված բջիջներից և պարտադիր չէ, որ ուղղակիորեն համեմատելի լինեն հասուն կենսակոմպոզիտների հետ:
Եթե ​​լատեքսը խոչընդոտ է ստեղծում լույսի և/կամ գազի փոխանակման համար, ինչը հանգեցնում է լույսի և CO2-ի սահմանափակմանը, այն կարող է առաջացնել բջջային սթրես և նվազեցնել կատարողականը, իսկ եթե այն ազդում է O2-ի արտազատման վրա՝ ֆոտոշնչառություն39:Գնահատվել է պինդ ծածկույթների լույսի հաղորդումը. «կոշտ» լատեքսը ցույց է տվել լույսի հաղորդման մի փոքր նվազում 440-ից 480 նմ միջակայքում (մասամբ բարելավվել է Տեխանոլի կոնցենտրացիան մեծացնելով թաղանթի բարելավված միաձուլման շնորհիվ), մինչդեռ «փափուկ» և «կանոնավոր» Լատեքսը ցույց է տվել լույսի փոխանցման մի փոքր նվազում:ցույց չի տալիս կորուստների նկատելի կորուստ:Փորձարկումները, ինչպես նաև բոլոր ինկուբացիաները, կատարվել են լույսի ցածր ինտենսիվությամբ (30,5 մկմոլ մ-2 s-1), այնպես որ պոլիմերային մատրիցով պայմանավորված ցանկացած ֆոտոսինթետիկորեն ակտիվ ճառագայթում կփոխհատուցվի և նույնիսկ կարող է օգտակար լինել ֆոտոինհիբիցիան կանխելու համար:լույսի վնասակար ինտենսիվության դեպքում:
Biocomposite CCAP 1479/1A գործել է փորձարկման 84 օրվա ընթացքում՝ առանց սննդանյութերի շրջանառության կամ կենսազանգվածի զգալի կորստի, ինչը հետազոտության հիմնական նպատակն է:Բջիջների պիգմենտացիան կարող է կապված լինել քլորոզի գործընթացի հետ՝ ի պատասխան ազոտի սովի՝ երկարաժամկետ գոյատևման (հանգստի վիճակի) հասնելու համար, ինչը կարող է օգնել բջիջներին վերսկսել աճը ազոտի բավարար կուտակումից հետո:SEM պատկերները հաստատեցին, որ բջիջները մնացին ծածկույթի ներսում՝ չնայած բջիջների բաժանմանը, ցույց տալով «փափուկ» լատեքսի առաձգականությունը և դրանով իսկ ցույց տալով ակնհայտ առավելություն փորձարարական տարբերակի նկատմամբ:«Փափուկ» լատեքսը պարունակում է մոտ 70% բուտիլակրիլատ (ըստ քաշի), ինչը շատ ավելի բարձր է, քան չորացումից հետո ճկուն ծածկույթի համար նշված կոնցենտրացիան44:
CO2-ի զուտ կլանումը զգալիորեն ավելի բարձր էր, քան հսկիչ կախոցինը (14-20 և 3-8 անգամ ավելի բարձր S. elongatus CCAP 1479/1A և PCC 7942-ի համար, համապատասխանաբար):Նախկինում մենք օգտագործում էինք CO2 զանգվածի փոխանցման մոդել՝ ցույց տալու համար, որ CO2-ի բարձր կլանման հիմնական շարժիչ ուժը CO2-ի կոնցենտրացիայի կտրուկ գրադիենտն է կենսակոմպոզիտի մակերեսին31, և որ բիոկոմպոզիտային աշխատանքը կարող է սահմանափակվել զանգվածի փոխանցման դիմադրությամբ:Այս խնդիրը կարելի է հաղթահարել՝ լատեքսի մեջ լատեքսի մեջ լցնելով ոչ թունավոր, թաղանթ չառաջացնող բաղադրիչներ՝ բարձրացնելու ծակոտկենությունը և թափանցելիությունը ծածկույթի26, սակայն բջիջների պահպանումը կարող է վտանգվել, քանի որ այս ռազմավարությունը անխուսափելիորեն կհանգեցնի ավելի թույլ թաղանթի20:Քիմիական բաղադրությունը կարող է փոփոխվել պոլիմերացման ժամանակ՝ ծակոտկենությունը մեծացնելու համար, ինչը լավագույն տարբերակն է հատկապես արդյունաբերական արտադրության և մասշտաբայնության առումով45:
Նոր կենսակոմպոզիտի կատարողականը համեմատած միկրոջրիմուռների և ցիանոբակտերիաների կենսակոմպոզիտների օգտագործմամբ վերջին ուսումնասիրությունների հետ ցույց տվեց առավելություններ՝ կարգավորելու բջիջների բեռնման արագությունը (Աղյուսակ 1)21,46 և ավելի երկար վերլուծության ժամանակներով (84 օր՝ 15 ժամի դիմաց46 և 3 շաբաթ21):
Բջիջներում ածխաջրերի ծավալային պարունակությունը բարենպաստորեն համեմատվում է այլ հետազոտությունների հետ47,48,49,50 ցիանոբակտերիաների կիրառմամբ և օգտագործվում է որպես ածխածնի գրավման և օգտագործման/վերականգնման կիրառման պոտենցիալ չափանիշ, օրինակ՝ BECCS ֆերմենտացման գործընթացներում49,51 կամ կենսաքայքայվող նյութերի արտադրության համար: բիոպլաստիկա52.Որպես այս ուսումնասիրության հիմնավորման մաս՝ մենք ենթադրում ենք, որ անտառտնկումը, նույնիսկ դիտարկված BECCS բացասական արտանետումների հայեցակարգում, կլիմայի փոփոխության համադարման միջոց չէ և սպառում է աշխարհի վարելահողերի տագնապալի մասնաբաժինը6:Որպես մտածողության փորձ՝ հաշվարկվել է, որ մինչև 2100 թվականը մթնոլորտից 640-ից 950 GtCO2 պետք է հեռացվի՝ սահմանափակելու համար գլոբալ ջերմաստիճանի բարձրացումը մինչև 1,5°C53 (տարեկան մոտ 8-12 GtCO2):Դրան հասնելու համար ավելի լավ կատարողական կենսակոմպոզիտով (574,08 ± 30,19 տ CO2 t-1 կենսազանգված տարեկան-1) կպահանջվի ծավալի ընդլայնում 5,5 × 1010-ից մինչև 8,2 × 1010 մ3 (համեմատելի ֆոտոսինթետիկ արդյունավետությամբ), որը պարունակում է 2,9 միլիարդ լիտրից մինչև 2,9 միլիարդ լիտր: պոլիմերային.Ենթադրելով, որ կենսակոմպոզիտների 1 մ3-ը զբաղեցնում է 1 մ2 հողատարածք, նպատակային տարեկան CO2-ի կլանման համար պահանջվող տարածքը կկազմի 5,5-ից 8,17 միլիոն հեկտար, ինչը համարժեք է 0,18-0,27%-ին, որը հարմար է հողերի կյանքի համար: արևադարձային գոտիները և նվազեցնել հողատարածքը:BECCS-ի կարիքը 98-99%-ով:Հարկ է նշել, որ գրավման տեսական հարաբերակցությունը հիմնված է ցածր լույսի ներքո գրանցված CO2-ի կլանման վրա:Հենց բիոկոմպոզիտը ենթարկվում է ավելի ինտենսիվ բնական լույսի, CO2-ի կլանման արագությունը մեծանում է, ինչը հետագայում նվազեցնում է հողի պահանջները և թեքվում է մասշտաբները դեպի կենսակոմպոզիտ հասկացությունը:Այնուամենայնիվ, իրականացումը պետք է լինի հասարակածում՝ հետևի լույսի մշտական ​​ինտենսիվության և տևողության համար:
CO2-ի պարարտացման գլոբալ ազդեցությունը, այսինքն՝ բուսականության արտադրողականության աճը, որը պայմանավորված է CO2-ի առկայության ավելացմամբ, նվազել է հողատարածքների մեծ մասում, հավանաբար հողի հիմնական սննդանյութերի (N և P) և ջրային ռեսուրսների փոփոխության պատճառով7:Սա նշանակում է, որ ցամաքային ֆոտոսինթեզը չի կարող հանգեցնել CO2-ի կլանման ավելացման՝ չնայած օդում CO2-ի բարձր կոնցենտրացիաներին:Այս համատեքստում, կլիմայի փոփոխության մեղմացման ցամաքային ռազմավարությունները, ինչպիսին է BECCS-ը, նույնիսկ ավելի քիչ հավանական է հաջողության հասնել:Եթե ​​այս գլոբալ ֆենոմենը հաստատվի, ապա քարաքոսից ներշնչված մեր կենսակոմպոզիտը կարող է առանցքային ակտիվ դառնալ՝ միաբջիջ ջրային ֆոտոսինթետիկ մանրէները վերածելով «հողային գործակալների»:Ցամաքային բույսերի մեծ մասը ֆիքսում է CO2-ը C3 ֆոտոսինթեզի միջոցով, մինչդեռ C4 բույսերն ավելի բարենպաստ են ավելի տաք, չոր բնակավայրերի համար և ավելի արդյունավետ են CO254-ի բարձր մասնակի ճնշման դեպքում:Ցիանոբակտերիաներն առաջարկում են այլընտրանք, որը կարող է փոխհատուցել C3 բույսերում ածխածնի երկօքսիդի նվազեցված ազդեցության մասին տագնապալի կանխատեսումները:Ցիանոբակտերիաները հաղթահարել են ֆոտոշնչառական սահմանափակումները՝ մշակելով ածխածնի հարստացման արդյունավետ մեխանիզմ, որում CO2-ի մասնակի ավելի բարձր ճնշումներ են ներկայացվում և պահպանվում ռիբուլոզա-1,5-բիսֆոսֆատ կարբոքսիլազա/օքսիգենազով (RuBisCo) շրջակա կարբոքսիզոմներում:Եթե ​​հնարավոր լինի մեծացնել ցիանոբակտերիալ բիոկոմպոզիտների արտադրությունը, դա կարող է մարդկության համար կարևոր զենք դառնալ կլիմայի փոփոխության դեմ պայքարում:
Կենսակոմպոզիտները (քարաքոսերի նմանակները) հստակ առավելություններ են տալիս սովորական միկրոջրիմուռների և ցիանոբակտերիաների կախովի կուլտուրաների նկատմամբ՝ ապահովելով CO2-ի կլանման ավելի բարձր արագություն, նվազագույնի հասցնելով աղտոտման ռիսկերը և խոստանալով մրցակցային CO2-ից խուսափելու հնարավորություն:Ծախսերը զգալիորեն նվազեցնում են հողի, ջրի և սննդանյութերի օգտագործումը56:Այս ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս բարձր արդյունավետությամբ կենսահամատեղելի լատեքսի մշակման և արտադրության իրագործելիությունը, որը, երբ զուգակցվում է լուֆի սպունգի հետ՝ որպես թեկնածու սուբստրատ, կարող է ապահովել CO2-ի արդյունավետ և արդյունավետ կլանումը վիրահատության ամիսների ընթացքում՝ միաժամանակ նվազագույնի հասցնելով բջիջների կորուստը:Կենսակոմպոզիտները կարող են տեսականորեն ներգրավել տարեկան մոտավորապես 570 տ CO2 t-1 կենսազանգված և կարող են լինել ավելի կարևոր, քան BECCS անտառապատման ռազմավարությունները կլիմայի փոփոխությանն արձագանքելու համար:Պոլիմերային բաղադրության հետագա օպտիմիզացման, ավելի բարձր լույսի ինտենսիվության փորձարկումների և մետաբոլիկ ինժեներիայի հետ զուգակցված՝ բնության բնօրինակ բիոգեոինժեներները ևս մեկ անգամ կարող են օգնության հասնել:
Ակրիլային լատեքսային պոլիմերները պատրաստվել են՝ օգտագործելով ստիրոլի մոնոմերների, բուտիլակրիլատի և ակրիլաթթվի խառնուրդ, իսկ pH-ը կարգավորվել է 7-ի՝ 0,1 Մ նատրիումի հիդրօքսիդով (աղյուսակ 2):Ստիրոլը և բուտիլակրիլատը կազմում են պոլիմերային շղթաների հիմնական մասը, մինչդեռ ակրիլաթթուն օգնում է լատեքսի մասնիկները կասեցման մեջ պահել57:Լատեքսի կառուցվածքային հատկությունները որոշվում են ապակու անցման ջերմաստիճանով (Tg), որը վերահսկվում է ստիրոլի և բուտիլակրիլատի հարաբերակցության փոփոխությամբ, որն ապահովում է համապատասխանաբար «կոշտ» և «փափուկ» հատկություններ58:Տիպիկ ակրիլային լատեքսային պոլիմերն է 50:50 ստիրոլ:բուտիլ ակրիլատ 30, ուստի այս ուսումնասիրության մեջ այս հարաբերակցությամբ լատեքսը անվանվել է «նորմալ» լատեքս, իսկ ավելի բարձր ստիրոլի պարունակությամբ լատեքսը՝ ցածր ստիրոլի պարունակությամբ լատեքս: .կոչվում է «փափուկ» որպես «կոշտ»:
Պատրաստվել է առաջնային էմուլսիա՝ օգտագործելով թորած ջուր (174 գ), նատրիումի բիկարբոնատ (0,5 գ) և Rhodapex Ab/20 մակերեսային ակտիվ նյութ (30,92 գ) (Solvay)՝ 30 մոնոմերի կաթիլները կայունացնելու համար:Օգտագործելով ապակե ներարկիչ (Science Glass Engineering) ներարկիչի պոմպով, 4 ժամվա ընթացքում առաջնային էմուլսիային ավելացվել է 2-րդ աղյուսակում թվարկված ստիրոլ, բուտիլակրիլատ և ակրիլաթթու պարունակող երկրորդական մասնաբաժինը (Cole): -Պալմեր, Մաունթ Վերնոն, Իլինոյս):Պատրաստել պոլիմերացման նախաձեռնիչ 59-ի լուծույթ՝ օգտագործելով dHO և ամոնիումի պերսուլֆատ (100 մլ, 3% w/w):
dHO (206 գ), նատրիումի բիկարբոնատ (1 գ) և Rhodapex Ab/20 (4,42 գ) պարունակող լուծույթը խառնել՝ օգտագործելով վերին հարիչով (Heidolph Hei-TORQUE արժեքը 100) չժանգոտվող պողպատից պտուտակով և տաքացնել մինչև 82°C: ջրածածկ անոթ VWR Scientific 1137P ջեռուցվող ջրային բաղնիքում:Մոնոմերի (28,21 գ) և ինիցիատորի (20,60 գ) նվազած քաշով լուծույթը կաթիլ-կաթիլով ավելացվել է պատված անոթին և խառնվել 20 րոպե:Ուժեղ խառնեք մնացած մոնոմերի (150 մլ h-1) և սկզբնավորման (27 մլ h-1) լուծույթները, որպեսզի մասնիկները մնան կասեցման մեջ, մինչև դրանք ավելացվեն ջրի բաճկոնին 5 ժամվա ընթացքում՝ օգտագործելով համապատասխանաբար 10 մլ ներարկիչներ և 100 մլ տարայի մեջ։ .լրացված է ներարկիչի պոմպով:Խառնիչի արագությունը մեծացել է լորձաթաղանթի ծավալի մեծացման շնորհիվ՝ ցեխի պահպանումն ապահովելու համար:Նախաձեռնիչը և էմուլսիան ավելացնելուց հետո ռեակցիայի ջերմաստիճանը բարձրացրին մինչև 85°C, լավ խառնեցին 450 ռ/րոպե արագությամբ 30 րոպե, ապա սառեցրին մինչև 65°C:Սառչելուց հետո լատեքսին ավելացրել են երկու տեղաշարժ լուծույթ՝ տերտ-բութիլ հիդրոպերօքսիդ (t-BHP) (70% ջրի մեջ) (5 գ, 14% կշռով) և իզոասկորբինաթթու (5 գ, 10% կշռով)։.Կաթիլ առ կաթիլ ավելացրեք t-BHP-ն և թողեք 20 րոպե։Այնուհետև էրիթորբինաթթուն ավելացվեց 4 մլ/ժ արագությամբ 10 մլ ներարկիչից՝ օգտագործելով ներարկիչի պոմպ:Այնուհետև լատեքսի լուծույթը սառեցվեց մինչև սենյակային ջերմաստիճանը և 0,1 մ նատրիումի հիդրօքսիդով կարգավորվեց pH 7-ի:
2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate (Texanol) – ցածր թունավորությամբ կենսաքայքայվող միաձուլվող լատեքսային ներկերի համար 37,60 – ավելացվել է ներարկիչով և պոմպով երեք ծավալով (0, 4, 12% v/v) որպես լատեքսային խառնուրդի միաձուլման միջոց՝ չորացման ժամանակ թաղանթի ձևավորումը հեշտացնելու համար37:Լատեքսի պինդ նյութերի տոկոսը որոշվել է՝ յուրաքանչյուր պոլիմերից 100 մկլ դնելով նախապես կշռված ալյումինե փայլաթիթեղի գլխարկներում և չորացնելով ջեռոցում 100°C ջերմաստիճանում 24 ժամ:
Լույսի փոխանցման համար յուրաքանչյուր լատեքսային խառնուրդ կիրառվել է մանրադիտակի սլայդի վրա՝ օգտագործելով չժանգոտվող պողպատից կաթիլային խորանարդ, որը տրամաչափված է 100 մկմ թաղանթներ արտադրելու համար և չորացրել 20°C-ում 48 ժամ:Լույսի փոխանցումը (կենտրոնացած ֆոտոսինթետիկորեն ակտիվ ճառագայթման վրա, λ 400–700 նմ) ​​չափվել է ILT950 SpectriLight սպեկտրառադիոմետրի վրա՝ 30 Վտ լյումինեսցենտային լամպից 35 սմ հեռավորության վրա գտնվող սենսորով (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – որտեղ լույսը աղբյուրը եղել է ցիանոբակտերիաները և օրգանիզմները Պահպանվել են կոմպոզիտային նյութեր:SpectrILight III ծրագրաշարի 3.5 տարբերակը օգտագործվել է լուսավորությունը և փոխանցումը λ 400–700 նմ61 միջակայքում գրանցելու համար:Բոլոր նմուշները տեղադրվել են սենսորի վերևում, իսկ առանց ծածկույթի ապակե սլայդներն օգտագործվել են որպես հսկիչ:
Լատեքսի նմուշները ավելացվել են սիլիկոնե թխման ամանի մեջ և թույլ են տվել չորացնել 24 ժամ, նախքան կարծրության ստուգումը:Չորացրած լատեքսի նմուշը տեղադրեք պողպատե գլխարկի վրա x10 մանրադիտակի տակ:Կենտրոնացումից հետո նմուշները գնահատվել են Buehler Micromet II միկրոկարծրության ստուգիչի վրա:Նմուշը ենթարկվել է 100-ից 200 գրամ ուժի, իսկ բեռնման ժամանակը սահմանվել է 7 վայրկյան՝ նմուշում ադամանդե փորվածք ստեղծելու համար:Տպագրությունը վերլուծվել է Bruker Alicona × 10 մանրադիտակի միջոցով՝ ձևի չափման լրացուցիչ ծրագրաշարով:Վիկերսի կարծրության բանաձևը (հավասարում 1) օգտագործվել է յուրաքանչյուր լատեքսի կարծրությունը հաշվարկելու համար, որտեղ HV-ն Վիկերսի թիվն է, F-ը կիրառվող ուժն է, իսկ d-ը լատեքսի բարձրությունից և լայնությունից հաշվարկված նահանջների անկյունագծերի միջինն է։նահանջ արժեքը.«Փափուկ» լատեքսը չի կարող չափվել կպչունության և ձգվելու պատճառով ներծծման թեստի ընթացքում:
Լատեքսային բաղադրության ապակու անցման ջերմաստիճանը (Tg) որոշելու համար պոլիմերային նմուշները տեղադրվել են սիլիկա գելի ամանների մեջ, չորացրել են 24 ժամ, կշռել մինչև 0,005 գ և դրվել նմուշի ամանների մեջ:Սպասքը փակվեց և տեղադրվեց դիֆերենցիալ սկանավորման գունաչափում (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, Pyris տվյալների վերլուծության ծրագրակազմ)62:Ջերմային հոսքի մեթոդը օգտագործվում է հղման բաժակները և նմուշային բաժակները նույն ջեռոցում տեղադրելու համար՝ ներկառուցված ջերմաստիճանի զոնդով՝ ջերմաստիճանը չափելու համար:Ընդհանուր կորի ստեղծման համար օգտագործվել է երկու թեքահարթակ:Նմուշի մեթոդը մի քանի անգամ բարձրացվել է -20°C-ից մինչև 180°C րոպեում 20°C արագությամբ:Յուրաքանչյուր մեկնարկային և ավարտական ​​կետ պահվում է 1 րոպե՝ հաշվի առնելով ջերմաստիճանի ուշացումը:
Կենսակոմպոզիտի CO2 կլանելու կարողությունը գնահատելու համար նմուշներ են պատրաստվել և փորձարկվել նույն կերպ, ինչպես մեր նախորդ ուսումնասիրության մեջ31:Չորացրած և ավտոկլավացված լվացքի կտորը կտրվեց մոտավորապես 1×1×5 սմ չափերով շերտերով և կշռվեց:Կիրառեք ցիանոբակտերիաների յուրաքանչյուր շտամի երկու ամենաարդյունավետ կենսածածկույթներից 600 մկլ յուրաքանչյուր լուֆի շերտի մի ծայրին՝ ծածկելով մոտավորապես 1 × 1 × 3 սմ, և չորացրեք մթության մեջ 20°C ջերմաստիճանում 24 ժամ:Լուֆայի մակրածակոտկ կառուցվածքի պատճառով բանաձևի մի մասը վատնվեց, ուստի բջիջների բեռնման արդյունավետությունը 100% չէր:Այս խնդիրը հաղթահարելու համար լուֆի վրա չոր պատրաստուկի կշիռը որոշվեց և նորմալացվեց հղման չոր պատրաստուկին:Նմանատիպ ձևով պատրաստվել են աբիոտիկ հսկիչները, որոնք բաղկացած են լուֆից, լատեքսից և ստերիլ սննդային միջավայրից:
CO2-ի կես խմբաքանակի կլանման փորձարկում կատարելու համար կենսակոմպոզիտը (n = 3) տեղադրեք 50 մլ ապակե խողովակի մեջ այնպես, որ բիոկոմպոզիտի մի ծայրը (առանց կենսածածկույթի) շփվի 5 մլ աճող միջավայրի հետ՝ թույլ տալով, որ սնուցիչը տեղափոխվել մազանոթային գործողությամբ:.Շիշը փակված է 20 մմ տրամագծով բուտիլային ռետինե խցանով և ծալքավոր ալյումինե արծաթափայլ գլխարկով:Կնքվելուց հետո գազամուղ ներարկիչին ամրացված ստերիլ ասեղով ներարկեք 45 մլ 5% CO2/օդ:Հսկիչ կախույթի բջիջների խտությունը (n = 3) համարժեք էր սնուցող միջավայրում կենսակոմպոզիտի բջիջների բեռնվածությանը:Փորձարկումներն իրականացվել են 18 ± 2 °C ջերմաստիճանում 16:8 ֆոտոպերիոդով և 30,5 մկմոլ մ-2 s-1 ֆոտոպերիոդով:Գլխի տարածությունը հեռացվում էր երկու օրը մեկ գազամուղ ներարկիչով և վերլուծվում CO2 հաշվիչի միջոցով՝ GEOTech G100 ինֆրակարմիր կլանմամբ՝ որոշելու կլանված CO2-ի տոկոսը:Ավելացնել հավասար ծավալ CO2 գազային խառնուրդ:
% CO2 Fix-ը հաշվարկվում է հետևյալ կերպ․
Ցիանոբակտերիաների և կենսակոմպոզիտների հսկողության կասեցումների համար CO2-ի կլանման հաղորդված արագությունները նորմալացվել են ոչ կենսաբանական հսկողության համար:g կենսազանգվածի ֆունկցիոնալ միավորը լվացքի կտորի վրա անշարժացած չոր կենսազանգվածի քանակությունն է:Այն որոշվում է լուֆի նմուշների կշռման միջոցով բջիջների ամրացումից առաջ և հետո:Բջջային ծանրաբեռնվածության զանգվածի (կենսազանգվածի համարժեքի) հաշվառում՝ պատրաստուկները չորացնելուց առաջ և հետո առանձին կշռելով և բջջի պատրաստման խտությունը հաշվարկելով (հավասարում 3):Բջջային պատրաստուկները ենթադրվում է, որ միատարր են ֆիքսման ժամանակ:
Վիճակագրական վերլուծության համար օգտագործվել են Minitab 18-ը և Microsoft Excel-ը՝ RealStatistics հավելվածով:Նորմալությունը ստուգվել է Անդերսոն-Դարլինգի թեստի միջոցով, իսկ շեղումների հավասարությունը՝ Լևենի թեստի միջոցով:Այս ենթադրությունները բավարարող տվյալները վերլուծվել են՝ օգտագործելով երկկողմանի շեղումների վերլուծություն (ANOVA)՝ Tukey-ի թեստով՝ որպես հետհոկ վերլուծություն:Երկկողմանի տվյալները, որոնք չեն համապատասխանում նորմալության և հավասար շեղումների ենթադրություններին, վերլուծվել են՝ օգտագործելով Շիրեր-Ռեյ-Հարա թեստը, այնուհետև՝ Mann-Whitney U- թեստը՝ բուժման միջև նշանակությունը որոշելու համար:Ընդհանրացված գծային խառը (GLM) մոդելները օգտագործվել են երեք գործոնով ոչ նորմալ տվյալների համար, որտեղ տվյալները փոխակերպվել են Ջոնսոնի փոխակերպման միջոցով63:Pearson-ի արտադրանքի մոմենտային հարաբերակցությունը կատարվել է Տեխանոլի կոնցենտրացիայի, ապակու անցման ջերմաստիճանի և լատեքսի թունավորության և կպչման տվյալների միջև կապը գնահատելու համար: