აქტიური ფოტოსინთეზური ბიოკომპოზიტები შემუშავებულია ნახშირბადის ბიოლოგიური სეკვესტრირების გასაუმჯობესებლად.

გმადლობთ Nature.com-ის მონახულებისთვის.თქვენ იყენებთ ბრაუზერის ვერსიას შეზღუდული CSS მხარდაჭერით.საუკეთესო გამოცდილებისთვის, გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში).გარდა ამისა, მუდმივი მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ ვაჩვენებთ საიტს სტილის და JavaScript-ის გარეშე.
აჩვენებს კარუსელს სამი სლაიდისგან ერთდროულად.გამოიყენეთ წინა და შემდეგი ღილაკები ერთდროულად სამ სლაიდში გადასაადგილებლად, ან გამოიყენეთ სლაიდერის ღილაკები ბოლოს, რომ გადაადგილდეთ სამ სლაიდზე ერთდროულად.
ნახშირბადის დაჭერა და შენახვა აუცილებელია პარიზის შეთანხმების მიზნების მისაღწევად.ფოტოსინთეზი არის ბუნების ტექნოლოგია ნახშირბადის დაჭერისთვის.ლიქენების შთაგონებით, ჩვენ შევიმუშავეთ 3D ციანობაქტერიების ფოტოსინთეზური ბიოკომპოზიტი (ანუ ლიქენის მიბაძვა) აკრილის ლატექსის პოლიმერის გამოყენებით, რომელიც გამოიყენება ლუფის ღრუბელზე.ბიოკომპოზიტის მიერ CO2-ის მიღების სიჩქარე იყო 1,57 ± 0,08 გ CO2 g-1 ბიომასის d-1.ათვისების სიჩქარე ეფუძნება მშრალ ბიომასას ექსპერიმენტის დასაწყისში და მოიცავს CO2-ს, რომელიც გამოიყენება ახალი ბიომასის გასაშენებლად, ისევე როგორც CO2-ს, რომელიც შეიცავს შესანახ ნაერთებს, როგორიცაა ნახშირწყლები.შეწოვის ეს ტემპები 14-20-ჯერ აღემატებოდა შლაპის კონტროლის ზომებს და პოტენციურად შეიძლება გაიზარდოს 570 ტ CO2 t-1 ბიომასის მიღებამდე წელიწადში-1, რაც ექვივალენტურია 5.5-8.17 × 106 ჰა მიწათსარგებლობის, 8-12 გტCO2-ის მოცილებით. CO2 წელიწადში.ამის საპირისპიროდ, ტყის ბიოენერგია ნახშირბადის დაჭერით და შენახვით არის 0,4–1,2 × 109 ჰა.ბიოკომპოზიტი ფუნქციონირებდა 12 კვირის განმავლობაში დამატებითი საკვები ნივთიერებებისა და წყლის გარეშე, რის შემდეგაც ექსპერიმენტი შეწყდა.კაცობრიობის მრავალმხრივი ტექნოლოგიური პოზიციის ფარგლებში კლიმატის ცვლილებასთან საბრძოლველად, ინჟინერირებულ და ოპტიმიზებულ ციანობაქტერიულ ბიოკომპოზიტებს აქვთ მდგრადი და მასშტაბური განლაგების პოტენციალი, რათა გაზარდონ CO2-ის მოცილება და შემცირდეს წყლის, საკვები ნივთიერებებისა და მიწათსარგებლობის დანაკარგები.
კლიმატის ცვლილება რეალური საფრთხეა გლობალური ბიომრავალფეროვნების, ეკოსისტემის სტაბილურობისა და ადამიანებისთვის.მისი ყველაზე ცუდი შედეგების შესამცირებლად საჭიროა კოორდინირებული და ფართომასშტაბიანი დეკარბურიზაციის პროგრამები და, რა თქმა უნდა, საჭიროა ატმოსფეროდან სათბურის აირების პირდაპირი მოცილების გარკვეული ფორმა.მიუხედავად ელექტროენერგიის გამომუშავების დადებითი დეკარბონიზაციისა2,3, ამჟამად არ არსებობს ეკონომიკურად მდგრადი ტექნოლოგიური გადაწყვეტილებები ატმოსფერული ნახშირორჟანგის (CO2)4 შესამცირებლად, თუმცა გრიპის აირების დაჭერა პროგრესირებს5.მასშტაბური და პრაქტიკული საინჟინრო გადაწყვეტილებების ნაცვლად, ადამიანებმა უნდა მიმართონ ბუნებრივ ინჟინრებს ნახშირბადის დაჭერისთვის - ფოტოსინთეზურ ორგანიზმებს (ფოტოტროფულ ორგანიზმებს).ფოტოსინთეზი ბუნების ნახშირბადის სეკვესტრირების ტექნოლოგიაა, მაგრამ მისი უნარი შეცვალოს ანთროპოგენური ნახშირბადის გამდიდრება მნიშვნელოვანი დროის მასშტაბებზე საეჭვოა, ფერმენტები არაეფექტურია და მისი უნარი განლაგდეს შესაბამის მასშტაბებში საეჭვოა.ფოტოტროფიის პოტენციური გზაა ტყის გაშენება, რომელიც ჭრის ხეებს ბიოენერგიისთვის ნახშირბადის დაჭერით და შენახვით (BECCS), როგორც უარყოფითი ემისიების ტექნოლოგია, რომელიც დაგეხმარებათ CO21-ის წმინდა ემისიების შემცირებაში.თუმცა, პარიზის შეთანხმების ტემპერატურის სამიზნე 1.5°C-ის მისაღწევად BECCS-ის გამოყენებით, როგორც ძირითადი მეთოდით, დასჭირდება 0.4-დან 1.2 × 109 ჰა-მდე, რაც უდრის გლობალური სახნავი მიწების 25-75%-ს6.გარდა ამისა, CO2 განაყოფიერების გლობალურ ეფექტებთან დაკავშირებული გაურკვევლობა ეჭვქვეშ აყენებს ტყის პლანტაციების პოტენციურ საერთო ეფექტურობას7.თუ პარიზის შეთანხმებით დადგენილ ტემპერატურულ მიზნებს მივაღწევთ, ყოველწლიურად ატმოსფეროდან 100 წამი GtCO2 სათბურის აირები (GGR) უნდა მოიხსნას.გაერთიანებული სამეფოს კვლევისა და ინოვაციების დეპარტამენტმა ახლახან გამოაცხადა დაფინანსება ხუთი GGR8 პროექტისთვის, მათ შორის ტორფის მენეჯმენტის, კლდეების გაუმჯობესებული ამინდის, ხეების დარგვის, ბიოქარისა და მრავალწლიანი კულტურების BECCS პროცესის შესანახად.ატმოსფეროდან 130 MtCO2-ზე მეტი ამოღების ხარჯები წელიწადში არის 10-100 აშშ დოლარი/ტCO2, 0.2-8.1 MtCO2 წელიწადში ტორფების აღდგენისთვის, 52-480 აშშ დოლარი/ტCO2 და 12-27 MtCO2 წელიწადში კლდეების ამინდისთვის. , 0,4-30 აშშ დოლარი/წელიწადში.tCO2, 3.6 MtCO2/წ, 1% ზრდა ტყის ფართობზე, 0.4-30 აშშ დოლარი/ტCO2, 6-41 MtCO2/წ, ბიოჩარდი, 140-270 აშშ დოლარი/ტCO2, 20 –70 მტ CO2 წელიწადში მუდმივი კულტურებისთვის. BECCS9.
ამ მიდგომების ერთობლიობამ შესაძლოა მიაღწიოს წელიწადში 130 მტონ CO2-ს, მაგრამ კლდეების დაბინძურების და BECCS-ის ხარჯები მაღალია და ბიოჩარდი, თუმცა შედარებით იაფი და არამიწის გამოყენებასთან დაკავშირებული, საჭიროებს საკვებ მასალას ბიოჩარდის წარმოების პროცესისთვის.გთავაზობთ ამ განვითარებას და ნომერს სხვა GGR ტექნოლოგიების გამოსაყენებლად.
ხმელეთზე გამოსავლის ძიების ნაცვლად, მოძებნეთ წყალი, განსაკუთრებით ერთუჯრედიანი ფოტოტროფები, როგორიცაა მიკროწყალმცენარეები და ციანობაქტერიები10.წყალმცენარეები (ციანობაქტერიების ჩათვლით) ითვისებენ მსოფლიოს ნახშირორჟანგის დაახლოებით 50%-ს, თუმცა ისინი შეადგენენ მსოფლიო ბიომასის მხოლოდ 1%-ს11.ციანობაქტერიები ბუნების ორიგინალური ბიოგეოინჟინრები არიან, რომლებიც საფუძველს უყრიან რესპირატორულ მეტაბოლიზმს და მრავალუჯრედოვანი სიცოცხლის ევოლუციას ჟანგბადის ფოტოსინთეზის გზით12.ნახშირბადის დასაჭერად ციანობაქტერიების გამოყენების იდეა ახალი არ არის, მაგრამ ფიზიკური განლაგების ინოვაციური მეთოდები ახალ ჰორიზონტს ხსნის ამ უძველესი ორგანიზმებისთვის.
ღია აუზები და ფოტობიორეაქტორები ნაგულისხმევი აქტივია მიკრო წყალმცენარეებისა და ციანობაქტერიების სამრეწველო მიზნებისთვის გამოყენებისას.ეს კულტურული სისტემები იყენებენ სუსპენზიურ კულტურას, რომელშიც უჯრედები თავისუფლად ცურავს ზრდის გარემოში14;თუმცა, ტბორებსა და ფოტობიორეაქტორებს აქვთ ბევრი უარყოფითი მხარე, როგორიცაა CO2-ის ცუდი გადაცემა, მიწისა და წყლის ინტენსიური გამოყენება, ბიოლოგიური დაბინძურებისადმი მიდრეკილება და მაღალი სამშენებლო და ექსპლუატაციის ხარჯები15,16.ბიოფილმის ბიორეაქტორები, რომლებიც არ იყენებენ სუსპენზიურ კულტურებს, უფრო ეკონომიურია წყლისა და სივრცის თვალსაზრისით, მაგრამ ემუქრებათ გამოშრობის დაზიანების რისკი, მიდრეკილია ბიოფილმის გამოყოფისკენ (და, შესაბამისად, აქტიური ბიომასის დაკარგვისკენ) და თანაბრად მიდრეკილნი არიან ბიობინძურებისკენ17.
საჭიროა ახალი მიდგომები CO2-ის შეწოვის სიჩქარის გასაზრდელად და იმ პრობლემების გადასაჭრელად, რომლებიც ზღუდავს ნალექისა და ბიოფილმის რეაქტორებს.ერთ-ერთი ასეთი მიდგომაა ლიქენების მიერ შთაგონებული ფოტოსინთეზური ბიოკომპოზიტები.ლიქენები არის სოკოების და ფოტობიონტების (მიკრო წყალმცენარეები და/ან ციანობაქტერიები) კომპლექსი, რომელიც მოიცავს დედამიწის ხმელეთის დაახლოებით 12%-ს18.სოკოები უზრუნველყოფენ ფოტობიოტიკური სუბსტრატის ფიზიკურ მხარდაჭერას, დაცვას და დამაგრებას, რაც თავის მხრივ უზრუნველყოფს სოკოებს ნახშირბადით (როგორც ჭარბი ფოტოსინთეზური პროდუქტები).შემოთავაზებული ბიოკომპოზიტი არის "ლიქენის მიამიტი", რომელშიც ციანობაქტერიების კონცენტრირებული პოპულაცია არის იმობილიზებული თხელი ბიოფენის სახით გადამზიდავ სუბსტრატზე.უჯრედების გარდა, ბიოფენი შეიცავს პოლიმერულ მატრიქსს, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს სოკო.წყალზე დაფუძნებული პოლიმერული ემულსიები ან „ლატექსები“ სასურველია, რადგან ისინი ბიოთავსებადია, გამძლეა, იაფია, ადვილად დასამუშავებელი და კომერციულად ხელმისაწვდომი19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
ლატექსის პოლიმერებით უჯრედების ფიქსაციაზე დიდ გავლენას ახდენს ლატექსის შემადგენლობა და ფირის წარმოქმნის პროცესი.ემულსიური პოლიმერიზაცია არის ჰეტეროგენული პროცესი, რომელიც გამოიყენება სინთეზური რეზინის, წებოვანი საფარის, დალუქვის, ბეტონის დანამატების, ქაღალდისა და ტექსტილის საფარების და ლატექსის საღებავების დასამზადებლად27.მას აქვს მთელი რიგი უპირატესობები პოლიმერიზაციის სხვა მეთოდებთან შედარებით, როგორიცაა რეაქციის მაღალი სიჩქარე და მონომერის გარდაქმნის ეფექტურობა, ასევე პროდუქტის კონტროლის სიმარტივე27,28.მონომერების არჩევანი დამოკიდებულია მიღებული პოლიმერული ფირის სასურველ თვისებებზე, ხოლო შერეული მონომერული სისტემებისთვის (ანუ კოპოლიმერიზაცია), პოლიმერის თვისებები შეიძლება შეიცვალოს მონომერების სხვადასხვა თანაფარდობის შერჩევით, რომლებიც ქმნიან მიღებულ პოლიმერულ მასალას.ბუტილის აკრილატი და სტირონი არის ყველაზე გავრცელებული აკრილის ლატექსის მონომერები და გამოიყენება აქ.გარდა ამისა, შერწყმა აგენტები (მაგ. ტექსანოლი) ხშირად გამოიყენება ერთიანი ფირის წარმოქმნის ხელშესაწყობად, სადაც მათ შეუძლიათ შეცვალონ პოლიმერული ლატექსის თვისებები ძლიერი და "უწყვეტი" (შეერთებული) საფარის შესაქმნელად.ჩვენს თავდაპირველ დადასტურებული კონცეფციის კვლევაში, მაღალი ზედაპირის ფართობი, მაღალი ფორიანობის 3D ბიოკომპოზიტი დამზადდა კომერციული ლატექსის საღებავის გამოყენებით, რომელიც გამოიყენება ლუფის ღრუბელზე.ხანგრძლივი და უწყვეტი მანიპულაციების შემდეგ (რვა კვირა), ბიოკომპოზიტმა აჩვენა შეზღუდული უნარი შეინარჩუნოს ციანობაქტერიები ლუფის ხარაჩოზე, რადგან უჯრედების ზრდამ შეასუსტა ლატექსის სტრუქტურული მთლიანობა.მიმდინარე კვლევაში ჩვენ მიზნად ისახავდა შეგვემუშავებინა ცნობილი ქიმიის აკრილის ლატექსის პოლიმერების სერია ნახშირბადის დაჭერის აპლიკაციებში უწყვეტი გამოყენებისთვის პოლიმერის დეგრადაციის შეწირვის გარეშე.ამით ჩვენ ვაჩვენეთ ლიქენის მსგავსი პოლიმერული მატრიცის ელემენტების შექმნის უნარი, რომლებიც უზრუნველყოფენ გაუმჯობესებულ ბიოლოგიურ მუშაობას და მნიშვნელოვნად გაზრდილი მექანიკური ელასტიურობას დადასტურებულ ბიოკომპოზიტებთან შედარებით.შემდგომი ოპტიმიზაცია დააჩქარებს ბიოკომპოზიტების ათვისებას ნახშირბადის დაჭერისთვის, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც შერწყმულია მეტაბოლურად მოდიფიცირებულ ციანობაქტერიებთან CO2-ის სეკვესტრის გასაძლიერებლად.
ცხრა ლატექსი სამი პოლიმერული ფორმულირებით (H = "მყარი", N = "ნორმალური", S = "რბილი") და სამი ტიპის ტექსანოლი (0, 4, 12% ვ/ვ) ტესტირება მოხდა ტოქსიკურობისა და დაძაბულობის კორელაციაზე.წებოვანი.ორი ციანობაქტერიისგან.ლატექსის ტიპმა მნიშვნელოვანი გავლენა მოახდინა S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Hare ტესტი, ლატექსი: DF=2, H=23.157, P=<0.001) და CCAP 1479/1A (ორმხრივი ANOVA, ლატექსი: DF=2, F = 103,93, P = < 0,001) (ნახ. 1a).ტექსანოლის კონცენტრაციამ მნიშვნელოვნად არ იმოქმედა S. elongatus PCC 7942-ის ზრდაზე, მხოლოდ N-ლატექსი იყო არატოქსიკური (ნახ. 1a) და 0 N და 4 N ინარჩუნებდნენ ზრდას 26% და 35% შესაბამისად (Mann- Whitney U, 0 N წინააღმდეგ 4 N: W = 13.50, P = 0.245; 0 N წინააღმდეგ კონტროლი: W = 25.0, P = 0.061; 4 N წინააღმდეგ კონტროლი: W = 25.0, P = 0.061) და 12 N ინარჩუნებს ზრდას შესადარებელი ბიოლოგიურ კონტროლამდე (Mann-Whitney University, 12 N წინააღმდეგ კონტროლი: W = 17.0, P = 0.885).S. elongatus CCAP 1479/1A-სთვის, როგორც ლატექსის ნარევი, ასევე ტექსანოლის კონცენტრაცია მნიშვნელოვანი ფაქტორები იყო და მნიშვნელოვანი ურთიერთქმედება დაფიქსირდა ორს შორის (ორმხრივი ANOVA, ლატექსი: DF=2, F=103.93, P=<0.001, ტექსანოლი : DF=2, F=5,96, P=0,01, ლატექსი*ტექსანოლი: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N და ყველა "რბილი" ლატექსი ხელს უწყობს ზრდას (ნახ. 1a).არსებობს ზრდის გაუმჯობესების ტენდენცია სტიროლის შემადგენლობის შემცირებით.
ციანობაქტერიების (Synechococcus elongatus PCC 7942 და CCAP 1479/1A) ტოქსიკურობისა და ადჰეზიის ტესტირება ლატექსის ფორმულირებებთან, კავშირი მინის გადასვლის ტემპერატურასთან (Tg) და გადაწყვეტილების მატრიცაზე დაფუძნებული ტოქსიკურობისა და ადჰეზიის მონაცემებზე.(ა) ტოქსიკურობის ტესტირება ჩატარდა ციანობაქტერიების პროცენტული ზრდის ცალკეული ნაკვეთების გამოყენებით, ნორმალიზებული სუსპენზიის კულტურების კონტროლისთვის.*-ით მონიშნული მკურნალობა მნიშვნელოვნად განსხვავდება კონტროლისგან.(ბ) ციანობაქტერიების ზრდის მონაცემები Tg ლატექსის წინააღმდეგ (საშუალო ± SD; n = 3).გ) ბიოკომპოზიტური ადჰეზიის ტესტიდან გამოთავისუფლებული ციანობაქტერიების კუმულაციური რაოდენობა.(დ) ადჰეზიის მონაცემები ლატექსის Tg-სთან მიმართებაში (საშუალო ± StDev; n = 3).e გადაწყვეტილების მატრიცა დაფუძნებული ტოქსიკურობისა და ადჰეზიის მონაცემებზე.სტიროლის და ბუტილის აკრილატის თანაფარდობა არის 1:3 "მყარი" (H) ლატექსისთვის, 1:1 "ნორმალური" (N) და 3:1 "რბილი" (S).ლატექსის კოდში წინა ნომრები შეესაბამება Texanol-ის შემცველობას.
უმეტეს შემთხვევაში, უჯრედების სიცოცხლისუნარიანობა მცირდებოდა ტექსანოლის კონცენტრაციის მატებასთან ერთად, მაგრამ არ იყო მნიშვნელოვანი კორელაცია რომელიმე შტამისთვის (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).ნახ.1b გვიჩვენებს კავშირი უჯრედის ზრდასა და მინის გარდამავალ ტემპერატურას შორის (Tg).არსებობს ძლიერი უარყოფითი კორელაცია ტექსანოლის კონცენტრაციასა და Tg მნიშვნელობებს შორის (H-ლატექსი: DF=7, r=-0.989, P=<0.001; N-ლატექსი: DF=7, r=-0.964, P=<0.001 S- ლატექსი: DF=7, r=-0.946, P=<0.001).მონაცემებმა აჩვენა, რომ S. elongatus PCC 7942-ის ზრდისთვის ოპტიმალური Tg იყო დაახლოებით 17 °C (სურათი 1b), ხოლო S. elongatus CCAP 1479/1A უპირატესობას ანიჭებდა Tg 0 °C-ზე ქვემოთ (სურათი 1b).მხოლოდ S. elongatus CCAP 1479/1A-ს ჰქონდა ძლიერი უარყოფითი კორელაცია Tg-სა და ტოქსიკურობის მონაცემებს შორის (DF=25, r=-0.857, P=<0.001).
ყველა ლატექსს ჰქონდა კარგი ადჰეზიური მიდრეკილება და არცერთ მათგანს არ გამოყოფდა უჯრედების 1%-ზე მეტი 72 საათის შემდეგ (ნახ. 1c).არ იყო მნიშვნელოვანი განსხვავება S. elongatus-ის ორი შტამების ლატექსებს შორის (PCC 7942: Scheirer-Ray-Hara ტესტი, Latex*Texanol, DF=4, H=0.903; P=0.924; CCAP 1479/1A: Scheirer- სხივების ტესტი).– კურდღლის ტესტი, ლატექსი*ტექსანოლი, DF=4, H=3,277, P=0,513).როგორც ტექსანოლის კონცენტრაცია იზრდება, უფრო მეტი უჯრედი გამოიყოფა (სურათი 1c).S. elongatus PCC 7942-თან შედარებით (DF=25, r=-0.660, P=<0.001) (სურათი 1d).გარდა ამისა, არ იყო სტატისტიკური კავშირი Tg-სა და ორი შტამის უჯრედის ადჰეზიას შორის (PCC 7942: DF=25, r=0.301, P=0.127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0.287, P=0.147).
ორივე შტამისთვის "მყარი" ლატექსის პოლიმერები არაეფექტური იყო.ამის საპირისპიროდ, 4N და 12N საუკეთესოდ მოქმედებდნენ S. elongatus PCC 7942-ის წინააღმდეგ, ხოლო 4S და 12S საუკეთესოდ მოქმედებდნენ CCAP 1479/1A-სთან (ნახ. 1e), თუმცა აშკარად არის ადგილი პოლიმერული მატრიცის შემდგომი ოპტიმიზაციისთვის.ეს პოლიმერები გამოყენებული იქნა ნახევრად სერიული ქსელის CO2-ის შეწოვის ტესტებში.
ფოტოფიზიოლოგიას აკვირდებოდნენ 7 დღის განმავლობაში წყლიან ლატექსის შემადგენლობაში შეჩერებული უჯრედების გამოყენებით.ზოგადად, ფოტოსინთეზის აშკარა სიჩქარე (PS) და მაქსიმალური PSII კვანტური გამოსავალი (Fv/Fm) დროთა განმავლობაში მცირდება, მაგრამ ეს შემცირება არათანაბარია და ზოგიერთი PS მონაცემთა ნაკრები აჩვენებს ორფაზიან პასუხს, რაც მიუთითებს ნაწილობრივ პასუხზე, თუმცა აღდგენა რეალურ დროში. უფრო მოკლე PS აქტივობა (ნახ. 2a და 3b).ორფაზიანი Fv/Fm პასუხი იყო ნაკლებად გამოხატული (სურათები 2b და 3b).
(ა) ფოტოსინთეზის აშკარა სიჩქარე (PS) და (ბ) Synechococcus elongatus PCC 7942-ის მაქსიმალური PSII კვანტური გამოსავალი (Fv/Fm) ლატექსის ფორმულირებების საპასუხოდ საკონტროლო სუსპენზიის კულტურებთან შედარებით.სტიროლის და ბუტილის აკრილატის თანაფარდობა არის 1:3 "მყარი" (H) ლატექსისთვის, 1:1 "ნორმალური" (N) და 3:1 "რბილი" (S).ლატექსის კოდში წინა ნომრები შეესაბამება Texanol-ის შემცველობას.(საშუალო ± სტანდარტული გადახრა; n = 3).
(ა) ფოტოსინთეზის აშკარა სიჩქარე (PS) და (ბ) მაქსიმალური PSII კვანტური გამოსავალი (Fv/Fm) Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A ლატექსის ფორმულირებების საპასუხოდ საკონტროლო სუსპენზიის კულტურებთან შედარებით.სტიროლის და ბუტილის აკრილატის თანაფარდობა არის 1:3 "მყარი" (H) ლატექსისთვის, 1:1 "ნორმალური" (N) და 3:1 "რბილი" (S).ლატექსის კოდში წინა ნომრები შეესაბამება Texanol-ის შემცველობას.(საშუალო ± სტანდარტული გადახრა; n = 3).
S. elongatus PCC 7942-ისთვის, ლატექსის შემადგენლობა და ტექსანოლის კონცენტრაცია არ იმოქმედა PS-ზე დროთა განმავლობაში (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1.49, P = 0.07), თუმცა შემადგენლობა მნიშვნელოვანი ფაქტორი იყო (GLM)., ლატექსი*დრო, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (ნახ. 2a).დროთა განმავლობაში არ იყო ტექსანოლის კონცენტრაციის მნიშვნელოვანი ეფექტი (GLM, Texanol*time, DF=14, F=1.63, P=0.078).იყო მნიშვნელოვანი ურთიერთქმედება, რომელიც გავლენას ახდენდა Fv/Fm-ზე (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4.54, P=<0.001).ლატექსის ფორმულირებასა და ტექსანოლის კონცენტრაციას შორის ურთიერთქმედება მნიშვნელოვან გავლენას ახდენდა Fv/Fm-ზე (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180.42, P=<0.001).თითოეული პარამეტრი ასევე გავლენას ახდენს Fv/Fm დროთა განმავლობაში (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9.91, P=<0.001 და Texanol*Time, DF=14, F=10.71, P=< 0.001).ლატექსმა 12H-მა შეინარჩუნა ყველაზე დაბალი საშუალო PS და Fv/Fm მნიშვნელობები (ნახ. 2b), რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ეს პოლიმერი უფრო ტოქსიკურია.
S. elongatus CCAP 1479/1A PS მნიშვნელოვნად განსხვავდებოდა (GLM, ლატექსი *ტექსანოლი * დრო, DF = 28, F = 2.75, P = <0.001), ლატექსის შემადგენლობით და არა ტექსანოლის კონცენტრაციით (GLM, ლატექსის*დრო, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, ტექსანოლი*დრო, DF=14, F=1,26, P=0,239).„რბილმა“ პოლიმერებმა 0S და 4S შეინარჩუნეს PS მუშაობის ოდნავ უფრო მაღალი დონე, ვიდრე საკონტროლო სუსპენზია (Mann-Whitney U, 0S კონტროლის წინააღმდეგ, W = 686.0, P = 0.044, 4S კონტროლის წინააღმდეგ, W = 713, P = 0.01) და შეინარჩუნეს გაუმჯობესებული Fv./Fm (ნახ. 3a) აჩვენებს უფრო ეფექტურ ტრანსპორტირებას ფოტოსისტემა II-მდე.CCAP 1479/1A უჯრედების Fv/Fm მნიშვნელობებისთვის, იყო ლატექსის მნიშვნელოვანი განსხვავება დროთა განმავლობაში (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6.00, P=<0.001) (სურათი 3b).).
ნახ.4 გვიჩვენებს საშუალო PS და Fv/Fm 7 დღის განმავლობაში, როგორც უჯრედების ზრდის ფუნქცია თითოეული შტამისთვის.S. elongatus PCC 7942-ს არ ჰქონდა მკაფიო ნიმუში (ნახ. 4a და b), თუმცა, CCAP 1479/1A აჩვენებდა პარაბოლურ კავშირს PS (ნახ. 4c) და Fv/Fm (ნახ. 4d) მნიშვნელობებს შორის, როგორც სტირონისა და ბუტილის აკრილატის თანაფარდობა იზრდება ცვლილებასთან ერთად.
ლატექსის პრეპარატებზე Synechococcus longum-ის ზრდისა და ფოტოფიზიოლოგიის კავშირი.(ა) ტოქსიკურობის მონაცემები გამოსახული ფოტოსინთეზის აშკარა სიჩქარის (PS) მიმართ, (ბ) მაქსიმალური PSII კვანტური გამოსავლიანობა (Fv/Fm) PCC 7942-ის.სტიროლის და ბუტილის აკრილატის თანაფარდობა არის 1:3 "მყარი" (H) ლატექსისთვის, 1:1 "ნორმალური" (N) და 3:1 "რბილი" (S).ლატექსის კოდში წინა ნომრები შეესაბამება Texanol-ის შემცველობას.(საშუალო ± სტანდარტული გადახრა; n = 3).
ბიოკომპოზიტი PCC 7942-ს ჰქონდა შეზღუდული ეფექტი უჯრედების შეკავებაზე მნიშვნელოვანი უჯრედის გამორეცხვით პირველი ოთხი კვირის განმავლობაში (სურათი 5).CO2-ის მიღების საწყისი ფაზის შემდეგ, 12 N ლატექსით დაფიქსირებულმა უჯრედებმა დაიწყეს CO2-ის გამოყოფა და ეს ნიმუში გაგრძელდა მე-4 და მე-14 დღეებს შორის (ნახ. 5ბ).ეს მონაცემები შეესაბამება პიგმენტების გაუფერულების დაკვირვებებს.CO2 წმინდა ათვისება კვლავ დაიწყო მე-18 დღიდან. მიუხედავად უჯრედის გამოთავისუფლებისა (ნახ. 5a), PCC 7942 12 N ბიოკომპოზიტი მაინც აგროვებდა მეტ CO2 ვიდრე საკონტროლო სუსპენზია 28 დღის განმავლობაში, თუმცა ოდნავ (Mann-Whitney U-ტესტი, W = 2275.5; P = 0.066).CO2-ის შეწოვის სიჩქარე ლატექსით 12 N და 4 N არის 0,51 ± 0,34 და 1,18 ± 0,29 გ CO2 g-1 ბიომასის d-1.იყო სტატისტიკურად მნიშვნელოვანი განსხვავება მკურნალობისა და დროის დონეებს შორის (Chairer-Ray-Hare test, მკურნალობა: DF=2, H=70.62, P=<0.001 დრო: DF=13, H=23.63, P=0.034), მაგრამ არ იყო.იყო მნიშვნელოვანი კავშირი მკურნალობასა და დროს შორის (Chairer-Ray-Har ტესტი, დრო*მკურნალობა: DF=26, H=8.70, P=0.999).
ნახევრად პარტიული CO2-ის შეწოვის ტესტები Synechococcus elongatus PCC 7942 ბიოკომპოზიტებზე 4N და 12N ლატექსის გამოყენებით.(ა) გამოსახულებები აჩვენებს უჯრედის გათავისუფლებას და პიგმენტის გაუფერულებას, აგრეთვე ბიოკომპოზიტის SEM სურათებს ტესტირებამდე და მის შემდეგ.თეთრი წერტილოვანი ხაზები მიუთითებს ბიოკომპოზიტზე უჯრედის დეპონირების ადგილებს.(ბ) კუმულაციური წმინდა CO2-ის მიღება ოთხი კვირის განმავლობაში."ნორმალური" (N) ლატექსს აქვს სტიროლის თანაფარდობა ბუტილის აკრილატთან 1:1.ლატექსის კოდში წინა ნომრები შეესაბამება Texanol-ის შემცველობას.(საშუალო ± სტანდარტული გადახრა; n = 3).
უჯრედების შეკავება მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა შტამისთვის CCAP 1479/1A 4S და 12S-ით, თუმცა პიგმენტმა დროთა განმავლობაში ნელ-ნელა იცვალა ფერი (ნახ. 6a).ბიოკომპოზიტი CCAP 1479/1A შთანთქავს CO2-ს სრული 84 დღის განმავლობაში (12 კვირა) დამატებითი საკვები დანამატების გარეშე.SEM ანალიზმა (ნახ. 6a) დაადასტურა მცირე უჯრედების გამოყოფის ვიზუალური დაკვირვება.თავდაპირველად, უჯრედები იყო ჩასმული ლატექსის საფარში, რომელიც ინარჩუნებდა მთლიანობას უჯრედის ზრდის მიუხედავად.CO2-ის შეწოვის სიჩქარე მნიშვნელოვნად მაღალი იყო, ვიდრე საკონტროლო ჯგუფი (Scheirer-Ray-Har ტესტი, მკურნალობა: DF=2; H=240.59; P=<0.001, დრო: DF=42; H=112; P=<0.001) ( სურ. 6ბ).12S ბიოკომპოზიტმა მიაღწია CO2-ის უმაღლეს ათვისებას (1,57 ± 0,08 გ CO2 გ-1 ბიომასა დღეში), ხოლო 4S ლატექსი იყო 1,13 ± 0,41 გ CO2 გ-1 ბიომასა დღეში, მაგრამ ისინი მნიშვნელოვნად არ განსხვავდებოდნენ (Mann-Whitney U). ტესტი, W = 1507.50; P = 0.07) და არ არის მნიშვნელოვანი ურთიერთქმედება მკურნალობასა და დროს შორის (Shirer-Rey-Hara ტესტი, დრო * მკურნალობა: DF = 82; H = 10.37; P = 1.000).
ნახევრად ლოტი CO2-ის შეწოვის ტესტირება Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A ბიოკომპოზიტების გამოყენებით 4N და 12N ლატექსით.(ა) გამოსახულებები აჩვენებს უჯრედის გათავისუფლებას და პიგმენტის გაუფერულებას, აგრეთვე ბიოკომპოზიტის SEM სურათებს ტესტირებამდე და მის შემდეგ.თეთრი წერტილოვანი ხაზები მიუთითებს ბიოკომპოზიტზე უჯრედის დეპონირების ადგილებს.(ბ) კუმულაციური წმინდა CO2-ის მიღება თორმეტი კვირის განმავლობაში."რბილ" (S) ლატექსს აქვს სტიროლის და ბუტილის აკრილატის თანაფარდობა 1:1.ლატექსის კოდში წინა ნომრები შეესაბამება Texanol-ის შემცველობას.(საშუალო ± სტანდარტული გადახრა; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (Shirer-Ray-Har ტესტი, დრო*მკურნალობა: DF=4, H=3.243, P=0.518) ან ბიოკომპოზიტი S. elongatus CCAP 1479/1A (two-ANOVA, დრო*მკურნალობა: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (ნახ. S4).ბიოკომპოზიტ PCC 7942-ს ჰქონდა ნახშირწყლების ყველაზე მაღალი შემცველობა მე-2 კვირაში (4 N = 59.4 ± 22.5 wt%, 12 N = 67.9 ± 3.3 wt%), ხოლო საკონტროლო სუსპენზიას ჰქონდა ყველაზე მაღალი ნახშირწყლების შემცველობა მე-4 კვირაში, როდესაც (კონტროლი = 59.6% ± 28). w/w).CCAP 1479/1A ბიოკომპოზიტის მთლიანი ნახშირწყლების შემცველობა შედარებული იყო საკონტროლო სუსპენზიასთან, გარდა ცდის დაწყებისა, გარკვეული ცვლილებებით 12S ლატექსში მე-4 კვირაში. ბიოკომპოზიტის უმაღლესი მნიშვნელობები იყო 51.9 ± 9.6 wt% 4S-ისთვის და 77.1 ± 17.0 wt% 12S-ისთვის.
ჩვენ შევიმუშავეთ დიზაინის შესაძლებლობების დემონსტრირება თხელი ფირის ლატექსის პოლიმერული საფარების სტრუქტურული მთლიანობის გასაუმჯობესებლად, როგორც ლიქენის იმიტაციური ბიოკომპოზიტის კონცეფციის მნიშვნელოვანი კომპონენტი, ბიოთავსებადობისა და შესრულების შეწირვის გარეშე.მართლაც, თუ უჯრედების ზრდასთან დაკავშირებული სტრუქტურული გამოწვევები გადაილახება, ჩვენ ველით მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას ჩვენს ექსპერიმენტულ ბიოკომპოზიტებთან შედარებით, რომლებიც უკვე შედარებულია სხვა ციანობაქტერიებისა და მიკროწყალმცენარეების ნახშირბადის დაჭერის სისტემებთან.
საფარი უნდა იყოს არატოქსიკური, გამძლე, უზრუნველყოს უჯრედის გრძელვადიანი ადჰეზია და უნდა იყოს ფოროვანი, რათა ხელი შეუწყოს CO2 მასის ეფექტურ გადაცემას და O2-ის დეგაზირებას.ლატექსის ტიპის აკრილის პოლიმერები ადვილად მოსამზადებელია და ფართოდ გამოიყენება საღებავების, ტექსტილისა და წებოვანი ინდუსტრიაში30.ჩვენ გავაერთიანეთ ციანობაქტერიები წყალზე დაფუძნებულ აკრილის ლატექსის პოლიმერული ემულსიით, რომელიც პოლიმერიზებულია სტიროლის/ბუტილის აკრილატის ნაწილაკების სპეციფიკური თანაფარდობით და ტექსანოლის სხვადასხვა კონცენტრაციით.სტირონი და ბუტილის აკრილატი შეირჩა იმისთვის, რომ შეეძლოთ გააკონტროლონ ფიზიკური თვისებები, განსაკუთრებით საფარის ელასტიურობა და შერწყმის ეფექტურობა (მნიშვნელოვანია ძლიერი და მაღალი წებოვანი საფარისთვის), რაც საშუალებას აძლევს "მყარი" და "რბილი" ნაწილაკების აგრეგატების სინთეზს.ტოქსიკურობის მონაცემები ვარაუდობს, რომ "მყარი" ლატექსი მაღალი სტირონის შემცველობით არ უწყობს ხელს ციანობაქტერიების გადარჩენას.ბუტილის აკრილატისგან განსხვავებით, სტირონი ტოქსიკურად ითვლება წყალმცენარეებისთვის32,33.ციანობაქტერიების შტამები საკმაოდ განსხვავებულად რეაგირებდნენ ლატექსზე და შუშის გადასვლის ოპტიმალური ტემპერატურა (Tg) განისაზღვრა S. elongatus PCC 7942-ისთვის, ხოლო S. elongatus CCAP 1479/1A აჩვენა უარყოფითი წრფივი კავშირი Tg-თან.
გაშრობის ტემპერატურა გავლენას ახდენს უწყვეტი ერთიანი ლატექსის ფილმის ფორმირების უნარზე.თუ გაშრობის ტემპერატურა დაბალია ფილმის ფორმირების მინიმალურ ტემპერატურაზე (MFFT), პოლიმერული ლატექსის ნაწილაკები სრულად არ შეერთდება, რაც იწვევს მხოლოდ ნაწილაკების ინტერფეისზე ადჰეზიას.მიღებულ ფილმებს აქვთ ცუდი ადჰეზია და მექანიკური სიმტკიცე და შესაძლოა იყოს ფხვნილის სახით29.MFFT მჭიდროდ არის დაკავშირებული Tg-თან, რომლის კონტროლიც შესაძლებელია მონომერული შემადგენლობით და ისეთი კოალესცენტების დამატებით, როგორიცაა ტექსანოლი.Tg განსაზღვრავს მიღებული საფარის ბევრ ფიზიკურ თვისებას, რომელიც შეიძლება იყოს რეზინის ან მინის მდგომარეობაში34.ფლორი-ფოქსის განტოლების35 მიხედვით, Tg დამოკიდებულია მონომერის ტიპზე და ფარდობით პროცენტულ შემადგენლობაზე.კოალესცენტის დამატებამ შეიძლება შეამციროს MFFT ლატექსის ნაწილაკების Tg-ის წყვეტილი დათრგუნვით, რაც საშუალებას აძლევს ფირის წარმოქმნას დაბალ ტემპერატურაზე, მაგრამ მაინც ქმნის მყარ და ძლიერ საფარს, რადგან კოალესცენტი ნელა აორთქლდება დროთა განმავლობაში ან გამოიყოფა 36 .
ტექსანოლის კონცენტრაციის გაზრდა ხელს უწყობს ფილმის წარმოქმნას პოლიმერული ნაწილაკების დარბილებით (Tg-ის შემცირება) ნაწილაკების მიერ შთანთქმის დროს შთანთქმის გამო, რითაც ზრდის შეკრული ფირის სიძლიერეს და უჯრედის ადჰეზიას.იმის გამო, რომ ბიოკომპოზიტი შრება გარემოს ტემპერატურაზე (~18-20°C), "მყარი" ლატექსის Tg (30-55°C) უფრო მაღალია, ვიდრე გაშრობის ტემპერატურა, რაც ნიშნავს, რომ ნაწილაკების შერწყმა შეიძლება არ იყოს ოპტიმალური, რის შედეგადაც B ფილმები, რომლებიც რჩება მინისებურად, ცუდი მექანიკური და წებოვანი თვისებებით, შეზღუდული ელასტიურობით და დიფუზურობით30, საბოლოოდ იწვევს უჯრედების უფრო დიდ დაკარგვას.ფირის ფორმირება "ნორმალური" და "რბილი" პოლიმერებისგან ხდება პოლიმერული ფილმის Tg-ზე ან მის ქვემოთ, ხოლო ფირის ფორმირება უმჯობესდება გაუმჯობესებული შერწყმის შედეგად, რაც იწვევს უწყვეტ პოლიმერულ ფილმებს გაუმჯობესებული მექანიკური, შეკრული და წებოვანი თვისებებით.შედეგად მიღებული ფილმი დარჩება რეზინის სახით CO2-ის დაჭერის ექსპერიმენტების დროს, რადგან მისი Tg არის ახლოს („ნორმალური“ ნაზავი: 12-დან 20 ºC-მდე) ან გაცილებით დაბალია („რბილი“ ნაზავი: -21-დან -13 °C-მდე) გარემოს ტემპერატურასთან 30 ."მყარი" ლატექსი (3.4-დან 2.9 კგფ მმ-1) სამჯერ უფრო მყარია ვიდრე "ნორმალური" ლატექსი (1.0-დან 0.9 კგფ მმ-1)."რბილი" ლატექსების სიხისტე არ შეიძლება გაიზომოს მიკროსიხისტით მათი გადაჭარბებული რეზინისა და წებოვნების გამო ოთახის ტემპერატურაზე.ზედაპირულმა მუხტმა ასევე შეიძლება გავლენა მოახდინოს ადჰეზიურ კავშირზე, მაგრამ მეტი მონაცემია საჭირო მნიშვნელოვანი ინფორმაციის მისაწოდებლად.თუმცა, ყველა ლატექსმა ეფექტურად შეინარჩუნა უჯრედები, ათავისუფლებს 1%-ზე ნაკლებს.
ფოტოსინთეზის პროდუქტიულობა დროთა განმავლობაში მცირდება.პოლისტიროლის ზემოქმედება იწვევს მემბრანის დარღვევას და ოქსიდაციურ სტრესს38,39,40,41.S. elongatus CCAP 1479/1A-ს Fv/Fm მნიშვნელობები, რომლებიც ექვემდებარება 0S და 4S-ს, თითქმის ორჯერ მაღალი იყო შეჩერების კონტროლთან შედარებით, რაც კარგად შეესაბამება 4S ბიოკომპოზიტის CO2-ის შეწოვის სიჩქარეს, ისევე როგორც ქვედა საშუალო PS მნიშვნელობები.ღირებულებები.უფრო მაღალი Fv/Fm მნიშვნელობები მიუთითებს, რომ ელექტრონების ტრანსპორტირება PSII-ში შეიძლება მიიტანოს მეტი ფოტონი42, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს CO2-ის ფიქსაციის მაღალი სიჩქარე.თუმცა, უნდა აღინიშნოს, რომ ფოტოფიზიოლოგიური მონაცემები მიღებულ იქნა ლატექსის წყალხსნარებში შეჩერებული უჯრედებიდან და შეიძლება სულაც არ იყოს პირდაპირ შედარება მომწიფებულ ბიოკომპოზიტებთან.
თუ ლატექსი ქმნის ბარიერს სინათლისა და/ან გაზის გაცვლაზე, რაც იწვევს სინათლისა და CO2-ის შეზღუდვას, ამან შეიძლება გამოიწვიოს უჯრედული სტრესი და შეამციროს შესრულება, ხოლო თუ გავლენას ახდენს O2-ის გამოყოფაზე, ფოტოსუნთქვა39.დამუშავებული საფარების სინათლის გადაცემა შეფასდა: "მყარმა" ლატექსმა აჩვენა სინათლის გადაცემის უმნიშვნელო დაქვეითება 440-დან 480 ნმ-მდე (ნაწილობრივ გაუმჯობესდა ტექსანოლის კონცენტრაციის გაზრდით ფილმის გაუმჯობესებული შერწყმის გამო), ხოლო "რბილი" და "რეგულარული". ” ლატექსმა აჩვენა სინათლის გადაცემის უმნიშვნელო შემცირება.არ აჩვენებს შესამჩნევ დანაკარგს.ანალიზები, ისევე როგორც ყველა ინკუბაცია, ჩატარდა სინათლის დაბალი ინტენსივობით (30.5 μmol m-2 s-1), ასე რომ, ნებისმიერი ფოტოსინთეზურად აქტიური გამოსხივება პოლიმერული მატრიცის გამო კომპენსირებული იქნება და შესაძლოა სასარგებლოც კი იყოს ფოტოინჰიბიციის თავიდან ასაცილებლად.საზიანო სინათლის ინტენსივობით.
ბიოკომპოზიტი CCAP 1479/1A ფუნქციონირებდა ტესტირების 84 დღის განმავლობაში, საკვები ნივთიერებების ბრუნვის ან ბიომასის მნიშვნელოვანი დაკარგვის გარეშე, რაც კვლევის მთავარი მიზანია.უჯრედის დეპიგმენტაცია შეიძლება ასოცირებული იყოს ქლოროზის პროცესთან აზოტის შიმშილის საპასუხოდ ხანგრძლივი გადარჩენის მისაღწევად (მოსვენების მდგომარეობა), რაც შეიძლება დაეხმაროს უჯრედებს აღადგინონ ზრდა აზოტის საკმარისი დაგროვების შემდეგ.SEM სურათებმა დაადასტურა, რომ უჯრედები უჯრედის გაყოფის მიუხედავად დარჩა საფარის შიგნით, რაც აჩვენა "რბილი" ლატექსის ელასტიურობა და ამით აჩვენა აშკარა უპირატესობა ექსპერიმენტულ ვერსიასთან შედარებით.„რბილი“ ლატექსი შეიცავს დაახლოებით 70% ბუტილის აკრილატს (წონის მიხედვით), რაც ბევრად აღემატება გაშრობის შემდეგ მოქნილი საფარის მითითებულ კონცენტრაციას44.
CO2-ის წმინდა შეწოვა მნიშვნელოვნად მაღალი იყო, ვიდრე საკონტროლო სუსპენზია (14-20 და 3-8-ჯერ მეტი S. elongatus CCAP 1479/1A და PCC 7942, შესაბამისად).ადრე, ჩვენ ვიყენებდით CO2 მასის გადაცემის მოდელს, რათა გვეჩვენებინა, რომ CO2-ის მაღალი შეწოვის მთავარი მამოძრავებელი ფაქტორია CO2-ის მკვეთრი კონცენტრაციის გრადიენტი ბიოკომპოზიტის ზედაპირზე31 და რომ ბიოკომპოზიტის მოქმედება შეიძლება შეიზღუდოს მასის გადაცემის წინააღმდეგობის გაწევით.ეს პრობლემა შეიძლება დაიძლიოს ლატექსში არატოქსიკური, არაფენის წარმომქმნელი ინგრედიენტების ინკორპორირებით, რათა გაზარდოს საფარის ფორიანობა და გამტარიანობა26, მაგრამ უჯრედების შეკავება შეიძლება დაირღვეს, რადგან ეს სტრატეგია აუცილებლად გამოიწვევს უფრო სუსტ გარსს20.ქიმიური შემადგენლობა შეიძლება შეიცვალოს პოლიმერიზაციის დროს ფორიანობის გაზრდის მიზნით, რაც საუკეთესო ვარიანტია, განსაკუთრებით სამრეწველო წარმოებისა და მასშტაბურობის თვალსაზრისით45.
ახალი ბიოკომპოზიტის ეფექტურობამ მიკროალგებისა და ციანობაქტერიების ბიოკომპოზიტების გამოყენებით ბოლო კვლევებთან შედარებით აჩვენა უპირატესობა უჯრედების დატვირთვის სიჩქარის რეგულირებაში (ცხრილი 1)21,46 და უფრო გრძელი ანალიზის დროს (84 დღე 15 საათის წინააღმდეგ46 და 3 კვირა21).
ნახშირწყლების მოცულობითი შემცველობა უჯრედებში დადებითად ადარებს სხვა კვლევებს47,48,49,50 ციანობაქტერიების გამოყენებით და გამოიყენება როგორც პოტენციური კრიტერიუმი ნახშირბადის დაჭერისა და გამოყენების/აღდგენისთვის, როგორიცაა BECCS დუღილის პროცესებისთვის49,51 ან ბიოდეგრადირებადი ნივთიერებების წარმოებისთვის. ბიოპლასტიკა52.როგორც ამ კვლევის დასაბუთების ნაწილი, ჩვენ ვივარაუდებთ, რომ ტყის გაშენება, თუნდაც BECCS უარყოფითი ემისიების კონცეფციაში გათვალისწინებული, არ არის კლიმატის ცვლილების პანაცეა და მოიხმარს მსოფლიოს სახნავი მიწების საგანგაშო წილს6.როგორც სააზროვნო ექსპერიმენტი, დადგინდა, რომ 2100 წლისთვის ატმოსფეროდან 640-დან 950 GtCO2-ის ამოღება იქნება საჭირო, რათა შეზღუდოს გლობალური ტემპერატურის აწევა 1.5°C53-მდე (დაახლოებით 8-დან 12 GtCO2-მდე წელიწადში).ამის მიღწევა უფრო ეფექტური ბიოკომპოზიტით (574,08 ± 30,19 ტ CO2 t-1 ბიომასი წელიწადში-1) საჭიროებს მოცულობის გაფართოებას 5,5 × 1010-დან 8,2 × 1010 მ3-მდე (შედარებითი ფოტოსინთეზური ეფექტურობით), რომელიც შეიცავს 296 მილიარდ ლიტრს 2.9-დან 2.1 მილიარდამდე. პოლიმერი.თუ ვივარაუდებთ, რომ ბიოკომპოზიტების 1 მ3 იკავებს 1 მ2 მიწის ფართობს, მიზნობრივი წლიური CO2-ის შთანთქმისთვის საჭირო ფართობი იქნება 5,5-დან 8,17 მილიონ ჰექტარამდე, რაც უდრის 0,18-0,27%-ს, რომელიც შესაფერისია მიწების სიცოცხლისთვის. ტროპიკები და შეამცირეთ მიწის ფართობი.BECCS-ის საჭიროება 98-99%-ით.უნდა აღინიშნოს, რომ დაჭერის თეორიული კოეფიციენტი ეფუძნება CO2-ის შეწოვას დაფიქსირებულ დაბალ განათებაში.როგორც კი ბიოკომპოზიტი ექვემდებარება უფრო ინტენსიურ ბუნებრივ შუქს, CO2-ის შეწოვის სიჩქარე იზრდება, რაც კიდევ უფრო ამცირებს მიწაზე მოთხოვნილებებს და სასწორებს უფრო მეტად აბრუნებს ბიოკომპოზიტის კონცეფციისკენ.თუმცა, განხორციელება უნდა იყოს ეკვატორზე მუდმივი განათების ინტენსივობისა და ხანგრძლივობისთვის.
CO2-ის განაყოფიერების გლობალური ეფექტი, ანუ მცენარეულობის პროდუქტიულობის ზრდა გამოწვეული CO2-ის გაზრდილი ხელმისაწვდომობით, შემცირდა მიწის უმეტეს ნაწილზე, სავარაუდოდ ნიადაგის ძირითადი საკვები ელემენტების (N და P) და წყლის რესურსების ცვლილების გამო7.ეს ნიშნავს, რომ ხმელეთის ფოტოსინთეზმა შესაძლოა არ გამოიწვიოს CO2-ის შეწოვის ზრდა, მიუხედავად ჰაერში CO2-ის მომატებული კონცენტრაციისა.ამ კონტექსტში, კლიმატის ცვლილების შერბილების სახმელეთო სტრატეგიები, როგორიცაა BECCS, კიდევ უფრო ნაკლებად წარმატებული იქნება.თუ ეს გლობალური ფენომენი დადასტურდება, ჩვენი ლიქენით შთაგონებული ბიოკომპოზიტი შეიძლება იყოს მთავარი აქტივი, რომელიც გადააქცევს ერთუჯრედიან წყლის ფოტოსინთეზურ მიკრობებს „მიწის აგენტებად“.ხმელეთის მცენარეების უმეტესობა აფიქსირებს CO2-ს C3 ფოტოსინთეზის საშუალებით, ხოლო C4 მცენარეები უფრო ხელსაყრელია თბილი, მშრალი ჰაბიტატების მიმართ და უფრო ეფექტურია CO254 მაღალი ნაწილობრივი წნევის დროს.ციანობაქტერიები გვთავაზობენ ალტერნატივას, რომელიც შეიძლება შეცვალოს C3 მცენარეებში ნახშირორჟანგის შემცირებული ზემოქმედების საგანგაშო პროგნოზები.ციანობაქტერიებმა გადალახეს ფოტორესპირატორული შეზღუდვები ნახშირბადის გამდიდრების ეფექტური მექანიზმის შემუშავებით, რომელშიც CO2-ის უფრო მაღალი ნაწილობრივი წნევა წარმოდგენილია და ინარჩუნებს რიბულოზა-1,5-ბისფოსფატ კარბოქსილაზას/ოქსიგენაზას (RuBisCo) გარშემო კარბოქსიზომებში.თუ ციანობაქტერიული ბიოკომპოზიტების წარმოება შეიძლება გაიზარდოს, ეს შეიძლება გახდეს კაცობრიობის მნიშვნელოვანი იარაღი კლიმატის ცვლილებასთან ბრძოლაში.
ბიოკომპოზიტები (ლიქენების მიმიკები) გვთავაზობენ აშკარა უპირატესობებს ჩვეულებრივი მიკროწყალმცენარეებისა და ციანობაქტერიების სუსპენზიის კულტურებთან შედარებით, რაც უზრუნველყოფს CO2-ის შეწოვის მაღალ სიჩქარეს, ამცირებს დაბინძურების რისკებს და პერსპექტიულ კონკურენტულ CO2-ს თავიდან აცილებას.ხარჯები მნიშვნელოვნად ამცირებს მიწის, წყლისა და საკვები ნივთიერებების გამოყენებას56.ეს კვლევა აჩვენებს მაღალი ხარისხის ბიოშეთავსებადი ლატექსის შემუშავებისა და წარმოების მიზანშეწონილობას, რომელიც, როდესაც შერწყმულია ლუფის ღრუბელთან, როგორც კანდიდატ სუბსტრატთან, შეუძლია უზრუნველყოს CO2-ის ეფექტური და ეფექტური შეწოვა ოპერაციის თვეების განმავლობაში, ხოლო უჯრედების დაკარგვა მინიმუმამდე შეინარჩუნოს.ბიოკომპოზიტებს თეორიულად შეუძლიათ წელიწადში დაახლოებით 570 ტ CO2 ტ-1 ბიომასის დაჭერა და შეიძლება უფრო მნიშვნელოვანი აღმოჩნდეს, ვიდრე BECCS ტყის გაშენების სტრატეგიები ჩვენს საპასუხოდ კლიმატის ცვლილებაზე.პოლიმერის შემადგენლობის შემდგომი ოპტიმიზაცია, უფრო მაღალი სინათლის ინტენსივობის ტესტირება და დახვეწილ მეტაბოლურ ინჟინერიასთან ერთად, ბუნების ორიგინალურ ბიოგეოინჟინრებს შეუძლიათ კიდევ ერთხელ მივიდნენ სამაშველოში.
აკრილის ლატექსის პოლიმერები მომზადდა სტიროლის მონომერების, ბუტილის აკრილატის და აკრილის მჟავის ნარევის გამოყენებით და pH დარეგულირდა 7-მდე 0.1 M ნატრიუმის ჰიდროქსიდით (ცხრილი 2).სტირონი და ბუტილის აკრილატი ქმნიან პოლიმერული ჯაჭვების დიდ ნაწილს, ხოლო აკრილის მჟავა ხელს უწყობს ლატექსის ნაწილაკების შეჩერებას57.ლატექსის სტრუქტურული თვისებები განისაზღვრება შუშის გადასვლის ტემპერატურით (Tg), რომელიც კონტროლდება სტირონის და ბუტილის აკრილატის თანაფარდობის შეცვლით, რაც უზრუნველყოფს შესაბამისად „მყარ“ და „რბილ“ თვისებებს58.ტიპიური აკრილის ლატექსის პოლიმერია 50:50 სტირონი:ბუტილის აკრილატი 30, ამიტომ ამ კვლევაში ამ თანაფარდობის მქონე ლატექსს მოიხსენიებდნენ, როგორც "ნორმალურ" ლატექსს, ხოლო ლატექსს უფრო მაღალი სტიროლის შემცველობით მოიხსენიებდნენ, როგორც ლატექსს სტიროლის დაბალი შემცველობით. .ეწოდება "რბილი", როგორც "მძიმე".
პირველადი ემულსია მომზადდა გამოხდილი წყლის (174 გ), ნატრიუმის ბიკარბონატის (0.5 გ) და Rhodapex Ab/20 სურფაქტანტის (30.92 გ) (Solvay) გამოყენებით 30 მონომერის წვეთების სტაბილიზაციისთვის.შპრიცის ტუმბოსთან ერთად შუშის შპრიცის (Science Glass Engineering) გამოყენებით, მეორადი ალიქვოტი, რომელიც შეიცავს სტირონს, ბუტილის აკრილატს და აკრილის მჟავას, რომელიც ჩამოთვლილია ცხრილში 2, დაემატა წვეთობრივად 100 მლ სთ-1 სიჩქარით პირველად ემულსიას 4 საათის განმავლობაში (კოლი -პალმერი, მაუნტ ვერნონი, ილინოისი).მოამზადეთ პოლიმერიზაციის ინიციატორი 59 ხსნარი dHO და ამონიუმის პერსულფატის გამოყენებით (100 მლ, 3% w/w).
აურიეთ ხსნარი, რომელიც შეიცავს dHO (206 გ), ნატრიუმის ბიკარბონატს (1 გ) და Rhodapex Ab/20 (4,42 გ) ზედ ამრევის გამოყენებით (Heidolph Hei-TORQUE მნიშვნელობა 100) უჟანგავი ფოლადის პროპელერით და გააცხელეთ 82°C-მდე წყლის ქურთუკი ჭურჭელი VWR Scientific 1137P გაცხელებულ წყლის აბაზანაში.მონომერის (28,21 გ) და ინიციატორის (20,60 გ) შემცირებული წონის ხსნარი დაემატა წვეთ-წვეთოვან ჭურჭელში და ურევენ 20 წუთის განმავლობაში.ენერგიულად აურიეთ დარჩენილი მონომერის (150 მლ h-1) და ინიციატორი (27 მლ სთ-1) ხსნარები, რათა ნაწილაკები შენარჩუნდეს სუსპენზიაში, სანამ ისინი არ დაემატება წყლის ქურთუკს 5 საათის განმავლობაში 10 მლ შპრიცების და 100 მლ, შესაბამისად კონტეინერში. .დასრულებულია შპრიცის ტუმბოთი.ამრევის სიჩქარე გაიზარდა ნადუღის მოცულობის გაზრდის გამო, რათა უზრუნველყოფილიყო ნალექის შეკავება.ინიციატორისა და ემულსიის დამატების შემდეგ რეაქციის ტემპერატურა ამაღლდა 85°C-მდე, კარგად ურევენ 450 rpm-ზე 30 წუთის განმავლობაში, შემდეგ გაცივდნენ 65°C-მდე.გაგრილების შემდეგ ლატექსს დაემატა ორი გადაადგილებული ხსნარი: ტერტ-ბუტილ ჰიდროპეროქსიდი (t-BHP) (70% წყალში) (5 გ, 14% წონით) და იზოასკორბინის მჟავა (5 გ, 10% წონით)..წვეთ-წვეთად დაამატეთ t-BHP და დატოვეთ 20 წუთი.შემდეგ დაემატა ერითორბინის მჟავა 4 მლ/სთ სიჩქარით 10 მლ შპრიციდან შპრიცის ტუმბოს გამოყენებით.ლატექსის ხსნარი შემდეგ გაცივდა ოთახის ტემპერატურამდე და დარეგულირდა pH 7-მდე 0,1 მ ნატრიუმის ჰიდროქსიდით.
2,2,4-ტრიმეთილ-1,3-პენტანედიოლის მონოიზობუტირატი (ტექსანოლი) - დაბალი ტოქსიკურობის ბიოდეგრადირებადი კოალესენტი ლატექსის საღებავებისთვის 37,60 - დაემატა შპრიცი და ტუმბო სამ მოცულობაში (0, 4, 12% ვ/ვ) როგორც ლატექსის ნარევის შემაერთებელი საშუალება გაშრობის დროს ფენის წარმოქმნის გასაადვილებლად37.ლატექსის მყარი პროცენტი განისაზღვრა 100 μl თითოეული პოლიმერის წინასწარ აწონილ ალუმინის ფოლგის ხუფებში მოთავსებით და ღუმელში 100°C-ზე 24 საათის განმავლობაში გაშრობით.
სინათლის გადაცემისთვის, ლატექსის თითოეული ნარევი დაიტანეს მიკროსკოპის სლაიდზე, უჟანგავი ფოლადის წვეთოვანი კუბის გამოყენებით, რომელიც დაკალიბრებული იყო 100 მკმ ფილმების წარმოებისთვის და აშრობდა 20°C-ზე 48 საათის განმავლობაში.სინათლის გადაცემა (ფოკუსირებული ფოტოსინთეზურად აქტიურ გამოსხივებაზე, λ 400–700 ნმ) გაზომილი იყო ILT950 SpectriLight სპექტრორადიომეტრზე სენსორით 30 ვტ ფლუორესცენტური ნათურიდან 35 სმ მანძილზე (Sylvania Luxline Plus, n = 6) – სადაც წყარო იყო ციანობაქტერიები და ორგანიზმები შემორჩენილია კომპოზიტური მასალები.SpectrILight III პროგრამული უზრუნველყოფის ვერსია 3.5 გამოიყენებოდა განათების და გადაცემის ჩასაწერად λ 400–700 nm61 დიაპაზონში.ყველა ნიმუში მოთავსებული იყო სენსორის თავზე, ხოლო უფარავი მინის სლაიდები გამოიყენებოდა საკონტროლოდ.
ლატექსის ნიმუშები დაემატა სილიკონის საცხობ ჭურჭელს და გაშრეს 24 საათის განმავლობაში სიხისტეზე ტესტირებამდე.მოათავსეთ გამხმარი ლატექსის ნიმუში ფოლადის თავსახურზე x10 მიკროსკოპის ქვეშ.ფოკუსირების შემდეგ, ნიმუშები შეფასდა Buehler Micromet II მიკროსიხისტის ტესტერზე.ნიმუშს დაექვემდებარა 100-დან 200 გრამამდე ძალა და დატვირთვის დრო დაყენდა 7 წამზე, რათა ნიმუშში ბრილიანტის ჩაღრმავება შეიქმნას.ანაბეჭდი გაანალიზდა Bruker Alicona × 10 მიკროსკოპის გამოყენებით დამატებითი ფორმის საზომი პროგრამული უზრუნველყოფით.ვიკერსის სიხისტის ფორმულა (განტოლება 1) გამოიყენებოდა თითოეული ლატექსის სიხისტის გამოსათვლელად, სადაც HV არის ვიკერსის რიცხვი, F არის გამოყენებული ძალა და d არის შეწევის დიაგონალების საშუალო, გამოთვლილი ლატექსის სიმაღლიდან და სიგანედან.შეწევის მნიშვნელობა."რბილი" ლატექსის გაზომვა შეუძლებელია ადჰეზიისა და დაჭიმვის გამო ჩაღრმავების ტესტის დროს.
ლატექსის შემადგენლობის შუშის გარდამავალი ტემპერატურის (Tg) დასადგენად, პოლიმერის ნიმუშები მოთავსდა სილიკა გელის ჭურჭელში, აშრობდა 24 საათის განმავლობაში, იწონიდა 0,005 გ-მდე და მოთავსდა სანიმუშო ჭურჭელში.ჭურჭელი დაიხურა და მოათავსეს დიფერენციალური სკანირების კოლორიმეტრში (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, Pyris მონაცემთა ანალიზის პროგრამა)62.სითბოს ნაკადის მეთოდი გამოიყენება საცნობარო თასებისა და ნიმუშის ჭიქების დასაყენებლად იმავე ღუმელში ჩაშენებული ტემპერატურის ზონდით ტემპერატურის გასაზომად.თანმიმდევრული მრუდის შესაქმნელად სულ ორი პანდუსია გამოყენებული.ნიმუშის მეთოდი არაერთხელ გაიზარდა -20°C-დან 180°C-მდე წუთში 20°C სიჩქარით.თითოეული საწყისი და დასასრული წერტილი ინახება 1 წუთის განმავლობაში ტემპერატურის შეფერხების გასათვალისწინებლად.
ბიოკომპოზიტის CO2-ის შთანთქმის უნარის შესაფასებლად, ნიმუშები მომზადდა და შემოწმდა ისევე, როგორც ჩვენს წინა კვლევაში31.გამხმარი და ავტოკლავირებული ტილო დაჭრეს დაახლოებით 1×1×5 სმ ზომის ზოლებად და აწონეს.წაისვით 600 μl ციანობაქტერიის თითოეული შტამის ორი ყველაზე ეფექტური ბიოფენიდან თითოეული ლუფის ზოლის ერთ ბოლოზე, დაფარეთ დაახლოებით 1 × 1 × 3 სმ და გააშრეთ სიბნელეში 20 ° C ტემპერატურაზე 24 საათის განმავლობაში.ლუფის მაკროფოროვანი სტრუქტურის გამო, ფორმულის ნაწილი დაიკარგა, ამიტომ უჯრედების დატვირთვის ეფექტურობა არ იყო 100%.ამ პრობლემის გადასაჭრელად განისაზღვრა მშრალი პრეპარატის წონა ლუფაზე და ნორმალიზდა მითითებულ მშრალ პრეპარატთან.ანალოგიურად მომზადდა აბიოტური კონტროლი, რომელიც შედგებოდა ლუფის, ლატექსისა და სტერილური საკვები მასალისგან.
ნახევრად პარტიული CO2-ის შეწოვის ტესტის ჩასატარებლად, მოათავსეთ ბიოკომპოზიტი (n = 3) 50 მლ მინის მილში ისე, რომ ბიოკომპოზიტის ერთი ბოლო (ბიოფენის გარეშე) იყოს კონტაქტში 5 მლ ზრდის გარემოსთან, რაც საშუალებას აძლევს საკვებს ტრანსპორტირება ხდება კაპილარული მოქმედებით..ბოთლი დალუქულია ბუტილის რეზინის საცობით, დიამეტრით 20 მმ და დაჭიმულია ვერცხლისფერი ალუმინის თავსახურით.დალუქვის შემდეგ, შეიყვანეთ 45 მლ 5% CO2/ჰაერი გაზგაუმტარ შპრიცზე დამაგრებული სტერილური ნემსით.საკონტროლო სუსპენზიის უჯრედის სიმკვრივე (n = 3) ექვივალენტური იყო ბიოკომპოზიტის უჯრედის დატვირთვის მკვებავ გარემოში.ტესტები ჩატარდა 18 ± 2 °C-ზე, ფოტოპერიოდით 16:8 და ფოტოპერიოდით 30.5 μmol m-2 s-1.თავში სივრცე ამოღებულია ყოველ ორ დღეში გაზგაუმტარი შპრიცით და გაანალიზებულია CO2 მრიცხველით ინფრაწითელი შთანთქმის GEOTech G100, რათა დადგინდეს შეწოვილი CO2-ის პროცენტი.დაამატეთ თანაბარი მოცულობის CO2 აირის ნარევი.
% CO2 Fix გამოითვლება შემდეგნაირად: % CO2 Fix = 5% (v/v) – ჩაწერეთ %CO2 (განტოლება 2), სადაც P = წნევა, V = მოცულობა, T = ტემპერატურა და R = იდეალური გაზის მუდმივი.
ციანობაქტერიების და ბიოკომპოზიტების საკონტროლო სუსპენზიებისთვის CO2-ის შეწოვის მოხსენებული სიხშირე ნორმალიზებული იყო არაბიოლოგიურ კონტროლზე.გ ბიომასის ფუნქციური ერთეული არის მშრალი ბიომასის რაოდენობა, რომელიც იმობილიზებულია სარეცხი ქსოვილზე.იგი განისაზღვრება ლუფის ნიმუშების აწონვით უჯრედის ფიქსაციამდე და მის შემდეგ.უჯრედის დატვირთვის მასის აღრიცხვა (ბიომასის ეკვივალენტი) პრეპარატების ინდივიდუალური აწონვით გაშრობამდე და შემდეგ და უჯრედის მომზადების სიმკვრივის გამოთვლით (განტოლება 3).ფიქსაციის დროს უჯრედული პრეპარატები მიჩნეულია ერთგვაროვანი.
სტატისტიკური ანალიზისთვის გამოყენებული იქნა Minitab 18 და Microsoft Excel RealStatistics დანამატით.ნორმალურობა შემოწმდა ანდერსონ-დარლინგის ტესტის გამოყენებით, ხოლო დისპერსიების თანასწორობა შემოწმდა ლევენის ტესტის გამოყენებით.მონაცემები, რომლებიც აკმაყოფილებდა ამ ვარაუდებს, გაანალიზდა ორმხრივი დისპერსიული ანალიზის (ANOVA) გამოყენებით ტუკის ტესტით, როგორც პოსტ ჰოკ ანალიზი.ორმხრივი მონაცემები, რომლებიც არ აკმაყოფილებდა ნორმალურობის და თანაბარი დისპერსიის დაშვებას, გაანალიზდა შირერ-რეი-ჰარა ტესტის და შემდეგ Mann-Whitney U-ტესტის გამოყენებით მკურნალობას შორის მნიშვნელობის დასადგენად.განზოგადებული ხაზოვანი შერეული (GLM) მოდელები გამოიყენებოდა არანორმალური მონაცემებისთვის სამი ფაქტორით, სადაც მონაცემები გარდაიქმნებოდა ჯონსონის ტრანსფორმაციის გამოყენებით63.შესრულდა Pearson-ის პროდუქტების მომენტური კორელაციები ტექსანოლის კონცენტრაციის, მინის გარდამავალი ტემპერატურისა და ლატექსის ტოქსიკურობისა და ადჰეზიის მონაცემებს შორის კავშირის შესაფასებლად.