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La cattura e lo stoccaggio del carbonio sono essenziali per raggiungere gli obiettivi dell’Accordo di Parigi.La fotosintesi è la tecnologia della natura per catturare il carbonio.Traendo ispirazione dai licheni, abbiamo sviluppato un biocomposito fotosintetico 3D di cianobatteri (cioè che imita i licheni) utilizzando un polimero di lattice acrilico applicato su una spugna di luffa.Il tasso di assorbimento di CO2 da parte del biocomposito è stato di 1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 di biomassa d-1.Il tasso di assorbimento si basa sulla biomassa secca all'inizio dell'esperimento e include la CO2 utilizzata per far crescere nuova biomassa, nonché la CO2 contenuta nei composti di stoccaggio come i carboidrati.Questi tassi di assorbimento erano 14-20 volte superiori rispetto alle misure di controllo dei liquami e potrebbero essere potenzialmente aumentati per catturare 570 t di CO2 t-1 di biomassa all'anno-1, equivalenti a 5,5-8,17 × 106 ettari di uso del suolo, rimuovendo 8-12 GtCO2 CO2 all'anno.Al contrario, la bioenergia forestale con cattura e stoccaggio del carbonio è di 0,4–1,2 × 109 ha.Il biocomposito è rimasto funzionale per 12 settimane senza ulteriori nutrienti o acqua, dopodiché l’esperimento è stato interrotto.Nell’ambito della multiforme posizione tecnologica dell’umanità per combattere il cambiamento climatico, i biocompositi cianobatterici ingegnerizzati e ottimizzati hanno il potenziale per un’implementazione sostenibile e scalabile per aumentare la rimozione di CO2 riducendo al contempo le perdite di acqua, sostanze nutritive e uso del suolo.
Il cambiamento climatico rappresenta una minaccia reale per la biodiversità globale, la stabilità degli ecosistemi e le persone.Per mitigarne gli effetti peggiori sono necessari programmi di decarburazione coordinati e su larga scala e, ovviamente, una qualche forma di rimozione diretta dei gas serra dall’atmosfera.Nonostante la decarbonizzazione positiva della produzione di energia elettrica2,3, attualmente non esistono soluzioni tecnologiche economicamente sostenibili per ridurre l’anidride carbonica atmosferica (CO2)4, sebbene la cattura dei gas di scarico stia progredendo5.Invece di soluzioni ingegneristiche scalabili e pratiche, le persone dovrebbero rivolgersi agli ingegneri naturali per la cattura del carbonio – organismi fotosintetici (organismi fototrofici).La fotosintesi è la tecnologia naturale per il sequestro del carbonio, ma la sua capacità di invertire l’arricchimento di carbonio di origine antropica su scale temporali significative è discutibile, gli enzimi sono inefficienti e la sua capacità di dispiegarsi su scale appropriate è discutibile.Una potenziale strada per la fototrofia è il rimboschimento, che taglia gli alberi per produrre bioenergia con cattura e stoccaggio del carbonio (BECCS) come tecnologia a emissioni negative che può aiutare a ridurre le emissioni nette di CO21.Tuttavia, per raggiungere l’obiettivo di temperatura di 1,5°C previsto dall’Accordo di Parigi utilizzando il BECCS come metodo principale sarebbero necessari da 0,4 a 1,2 × 109 ha, equivalenti al 25-75% dell’attuale terra arabile globale6.Inoltre, l’incertezza associata agli effetti globali della fertilizzazione con CO2 mette in discussione la potenziale efficienza complessiva delle piantagioni forestali7.Se vogliamo raggiungere gli obiettivi di temperatura fissati dall’Accordo di Parigi, ogni anno devono essere rimossi dall’atmosfera 100 secondi di GtCO2 di gas serra (GGR).Il Dipartimento di Ricerca e Innovazione del Regno Unito ha recentemente annunciato il finanziamento di cinque progetti GGR8 tra cui la gestione delle torbiere, il miglioramento dell’erosione delle rocce, la piantagione di alberi, il biochar e le colture perenni per alimentare il processo BECCS.I costi per rimuovere più di 130 MtCO2 dall’atmosfera all’anno sono 10-100 US$/tCO2, 0,2-8,1 MtCO2 all’anno per il ripristino delle torbiere, 52-480 US$/tCO2 e 12-27 MtCO2 all’anno per l’erosione delle rocce , 0,4-30 USD/anno.tCO2, 3,6 MtCO2/anno, aumento dell’1% nell’area forestale, 0,4-30 US$/tCO2, 6-41 MtCO2/anno, biochar, 140-270 US$/tCO2, 20 –70 Mt CO2 all’anno per colture permanenti che utilizzano BECCS9.
Una combinazione di questi approcci potrebbe potenzialmente raggiungere l’obiettivo di 130 Mt di CO2 all’anno, ma i costi dell’erosione delle rocce e del BECCS sono elevati e il biochar, sebbene relativamente economico e non legato all’uso del territorio, richiede materie prime per il processo di produzione del biochar.offre questo sviluppo e numero per implementare altre tecnologie GGR.
Invece di cercare soluzioni sulla terra, cercate l’acqua, in particolare i fototrofi unicellulari come le microalghe e i cianobatteri10.Le alghe (compresi i cianobatteri) catturano circa il 50% dell'anidride carbonica mondiale, sebbene rappresentino solo l'1% della biomassa mondiale11.I cianobatteri sono i biogeoingegneri originali della natura, che gettano le basi per il metabolismo respiratorio e l'evoluzione della vita multicellulare attraverso la fotosintesi ossigenata12.L’idea di utilizzare i cianobatteri per catturare il carbonio non è nuova, ma metodi innovativi di posizionamento fisico aprono nuovi orizzonti per questi antichi organismi.
Stagni aperti e fotobioreattori sono risorse predefinite quando si utilizzano microalghe e cianobatteri per scopi industriali.Questi sistemi di coltura utilizzano una coltura in sospensione in cui le cellule galleggiano liberamente in un mezzo di crescita14;tuttavia, stagni e fotobioreattori presentano molti svantaggi, come uno scarso trasferimento di massa di CO2, un uso intensivo di terra e acqua, suscettibilità al biofouling ed elevati costi di costruzione e funzionamento15,16.I bioreattori a biofilm che non utilizzano colture in sospensione sono più economici in termini di acqua e spazio, ma sono a rischio di danni da essiccazione, soggetti al distacco del biofilm (e quindi alla perdita di biomassa attiva) e sono ugualmente soggetti al biofouling17.
Sono necessari nuovi approcci per aumentare il tasso di assorbimento di CO2 e affrontare i problemi che limitano i reattori con liquami e biofilm.Uno di questi approcci sono i biocompositi fotosintetici ispirati ai licheni.I licheni sono un complesso di funghi e fotobionti (microalghe e/o cianobatteri) che ricoprono circa il 12% della superficie terrestre18.I funghi forniscono supporto fisico, protezione e ancoraggio al substrato fotobiotico, che a sua volta fornisce ai funghi carbonio (come prodotti fotosintetici in eccesso).Il biocomposito proposto è un “lichene mimetico”, in cui una popolazione concentrata di cianobatteri è immobilizzata sotto forma di un sottile biorivestimento su un substrato portante.Oltre alle cellule, il biorivestimento contiene una matrice polimerica che può sostituire il fungo.Le emulsioni polimeriche a base acquosa o “lattici” sono preferite perché sono biocompatibili, durevoli, poco costose, facili da maneggiare e disponibili in commercio19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26.
La fissazione delle cellule con polimeri di lattice è fortemente influenzata dalla composizione del lattice e dal processo di formazione del film.La polimerizzazione in emulsione è un processo eterogeneo utilizzato per produrre gomma sintetica, rivestimenti adesivi, sigillanti, additivi per calcestruzzo, rivestimenti cartacei e tessili e vernici al lattice27.Presenta numerosi vantaggi rispetto ad altri metodi di polimerizzazione, come l'elevata velocità di reazione e l'efficienza di conversione dei monomeri, oltre alla facilità di controllo del prodotto27,28.La scelta dei monomeri dipende dalle proprietà desiderate del film polimerico risultante e, per i sistemi monomerici misti (cioè copolimerizzazioni), le proprietà del polimero possono essere modificate selezionando diversi rapporti di monomeri che formano il materiale polimerico risultante.L'acrilato di butile e lo stirene sono tra i monomeri del lattice acrilico più comuni e vengono utilizzati qui.Inoltre, gli agenti coalescenti (ad esempio Texanol) vengono spesso utilizzati per favorire la formazione di una pellicola uniforme in cui possono alterare le proprietà del lattice polimerico per produrre un rivestimento resistente e “continuo” (coalescente).Nel nostro studio iniziale di prova di concetto, un biocomposito 3D ad alta superficie e ad alta porosità è stato fabbricato utilizzando una vernice al lattice commerciale applicata su una spugna di luffa.Dopo lunghe e continue manipolazioni (otto settimane), il biocomposito ha mostrato una capacità limitata di trattenere i cianobatteri sullo scaffold di luffa perché la crescita cellulare ha indebolito l’integrità strutturale del lattice.Nel presente studio, miravamo a sviluppare una serie di polimeri di lattice acrilico di chimica nota per l'uso continuo in applicazioni di cattura del carbonio senza sacrificare la degradazione del polimero.In tal modo, abbiamo dimostrato la capacità di creare elementi di matrice polimerica simili a licheni che forniscono prestazioni biologiche migliorate e un’elasticità meccanica significativamente maggiore rispetto ai biocompositi comprovati.Un’ulteriore ottimizzazione accelererà l’adozione di biocompositi per la cattura del carbonio, soprattutto se combinati con cianobatteri metabolicamente modificati per migliorare il sequestro di CO2.
Nove lattici con tre formulazioni polimeriche (H = “duro”, N = “normale”, S = “morbido”) e tre tipi di Texanol (0, 4, 12% v/v) sono stati testati per la tossicità e la correlazione con il ceppo.Adesivo.da due cianobatteri.Il tipo di lattice ha influenzato significativamente S. elongatus PCC 7942 (test Shirer-Ray-Hare, lattice: DF=2, H=23,157, P=<0,001) e CCAP 1479/1A (ANOVA a due vie, lattice: DF=2, F = 103,93, P = <0,001) (Fig. 1a).La concentrazione di texanolo non ha influenzato in modo significativo la crescita di S. elongatus PCC 7942, solo l'N-lattice era non tossico (Fig. 1a) e 0 N e 4 N hanno mantenuto una crescita rispettivamente del 26% e 35% (Mann- Whitney U, 0 N rispetto a 4 N: W = 13,50, P = 0,245; 0 N rispetto a controllo: W = 25,0, P = 0,061; 4 N rispetto a controllo: W = 25,0, P = 0,061) e 12 N hanno mantenuto una crescita comparabile al controllo biologico (Università Mann-Whitney, 12 N rispetto al controllo: W = 17,0, P = 0,885).Per S. elongatus CCAP 1479/1A, sia la miscela di lattice che la concentrazione di texanolo erano fattori importanti ed è stata osservata un'interazione significativa tra i due (ANOVA a due vie, lattice: DF=2, F=103,93, P=<0,001, Texanol : DF=2, F=5,96, P=0,01, Lattice*Texanolo: DF=4, F=3,41, P=0,03).0 N e tutti i lattici “morbidi” hanno promosso la crescita (Fig. 1a).C'è una tendenza a migliorare la crescita con la diminuzione della composizione dello stirene.
Test di tossicità e adesione dei cianobatteri (Synechococcus elongatus PCC 7942 e CCAP 1479/1A) alle formulazioni di lattice, relazione con la temperatura di transizione vetrosa (Tg) e matrice decisionale basata su dati di tossicità e adesione.(a) I test di tossicità sono stati eseguiti utilizzando grafici separati di crescita percentuale di cianobatteri normalizzati per controllare le colture in sospensione.I trattamenti contrassegnati con * sono significativamente diversi dai controlli.(b) Dati sulla crescita dei cianobatteri rispetto al lattice Tg (media ± SD; n = 3).(c) Il numero cumulativo di cianobatteri rilasciati dal test di adesione del biocomposito.(d) Dati di adesione rispetto alla Tg del lattice (media ± StDev; n = 3).e Matrice decisionale basata su dati di tossicità e adesione.Il rapporto tra stirene e butil acrilato è 1:3 per il lattice “duro” (H), 1:1 per “normale” (N) e 3:1 per “morbido” (S).I numeri precedenti nel codice del lattice corrispondono al contenuto di Texanol.
Nella maggior parte dei casi, la vitalità cellulare diminuiva con l'aumento della concentrazione di texanolo, ma non era presente alcuna correlazione significativa per nessuno dei ceppi (CCAP 1479/1A: DF = 25, r = -0,208, P = 0,299; PCC 7942: DF = 25, r = – 0,127, P = 0,527).Nella fig.1b mostra la relazione tra crescita cellulare e temperatura di transizione vetrosa (Tg).Esiste una forte correlazione negativa tra la concentrazione di texanolo e i valori di Tg (H-lattice: DF=7, r=-0,989, P=<0,001; N-lattice: DF=7, r=-0,964, P=<0,001 ; S-lattice: DF=7, r=-0,946, P=<0,001).I dati hanno mostrato che la Tg ottimale per la crescita di S. elongatus PCC 7942 era di circa 17 °C (Figura 1b), mentre S. elongatus CCAP 1479/1A favoriva una Tg inferiore a 0 °C (Figura 1b).Solo S. elongatus CCAP 1479/1A ha avuto una forte correlazione negativa tra Tg e dati di tossicità (DF=25, r=-0,857, P=<0,001).
Tutti i lattici avevano una buona affinità di adesione e nessuno di essi rilasciava più dell'1% di cellule dopo 72 ore (Fig. 1c).Non è stata riscontrata alcuna differenza significativa tra i lattici dei due ceppi di S. elongatus (PCC 7942: test Scheirer-Ray-Hara, Latex*Texanol, DF=4, H=0,903; P=0,924; CCAP 1479/1A: Scheirer- Prova dei raggi).– Test della lepre, lattice*texanolo, DF=4, H=3,277, P=0,513).All'aumentare della concentrazione di Texanol, vengono rilasciate più cellule (Figura 1c).rispetto a S. elongatus PCC 7942 (DF=25, r=-0,660, P=<0,001) (Figura 1d).Inoltre, non è stata riscontrata alcuna relazione statistica tra Tg e adesione cellulare dei due ceppi (PCC 7942: DF=25, r=0,301, P=0,127; CCAP 1479/1A: DF=25, r=0,287, P=0,147).
Per entrambi i ceppi, i polimeri di lattice “duri” si sono rivelati inefficaci.Al contrario, 4N e 12N hanno ottenuto risultati migliori contro S. elongatus PCC 7942, mentre 4S e 12S hanno ottenuto risultati migliori contro CCAP 1479/1A (Fig. 1e), sebbene vi sia chiaramente spazio per un’ulteriore ottimizzazione della matrice polimerica.Questi polimeri sono stati utilizzati nei test di assorbimento netto di CO2 semi-batch.
La fotofisiologia è stata monitorata per 7 giorni utilizzando cellule sospese in una composizione acquosa di lattice.In generale, sia il tasso di fotosintesi apparente (PS) che la resa quantica massima del PSII (Fv/Fm) diminuiscono con il tempo, ma questa diminuzione non è uniforme e alcuni set di dati PS mostrano una risposta bifasica, suggerendo una risposta parziale, sebbene il recupero in tempo reale attività PS più breve (Fig. 2a e 3b).La risposta bifasica Fv/Fm era meno pronunciata (Figure 2b e 3b).
(a) Tasso di fotosintesi apparente (PS) e (b) resa quantica massima PSII (Fv/Fm) di Synechococcus elongatus PCC 7942 in risposta alle formulazioni di lattice rispetto alle colture in sospensione di controllo.Il rapporto tra stirene e butil acrilato è 1:3 per il lattice “duro” (H), 1:1 per “normale” (N) e 3:1 per “morbido” (S).I numeri precedenti nel codice del lattice corrispondono al contenuto di Texanol.(media ± deviazione standard; n = 3).
(a) Tasso di fotosintesi apparente (PS) e (b) resa quantica massima PSII (Fv/Fm) di Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A in risposta alle formulazioni di lattice rispetto alle colture di sospensione di controllo.Il rapporto tra stirene e butil acrilato è 1:3 per il lattice “duro” (H), 1:1 per “normale” (N) e 3:1 per “morbido” (S).I numeri precedenti nel codice del lattice corrispondono al contenuto di Texanol.(media ± deviazione standard; n = 3).
Per S. elongatus PCC 7942, la composizione del lattice e la concentrazione di Texanol non hanno influenzato il PS nel tempo (GLM, Latex*Texanol*Time, DF = 28, F = 1,49, P = 0,07), sebbene la composizione fosse un fattore importante (GLM)., lattice*tempo, DF = 14, F = 3,14, P = <0,001) (Fig. 2a).Non è stato riscontrato alcun effetto significativo della concentrazione di Texanol nel tempo (GLM, Texanol*tempo, DF=14, F=1,63, P=0,078).È stata osservata un'interazione significativa che ha influenzato Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=4,54, P=<0,001).L'interazione tra la formulazione del lattice e la concentrazione di Texanol ha avuto un effetto significativo su Fv/Fm (GLM, Latex*Texanol, DF=4, F=180,42, P=<0,001).Ciascun parametro influisce anche su Fv/Fm nel tempo (GLM, Latex*Time, DF=14, F=9,91, P=<0,001 e Texanol*Time, DF=14, F=10,71, P=< 0,001).Il lattice 12H ha mantenuto i valori medi di PS e Fv/Fm più bassi (Fig. 2b), indicando che questo polimero è più tossico.
Il PS di S. elongatus CCAP 1479/1A era significativamente diverso (GLM, lattice * Texanol * tempo, DF = 28, F = 2,75, P = <0,001), con la composizione del lattice anziché la concentrazione di Texanol (GLM, Latex*tempo, DF =14, F=6,38, P=<0,001, GLM, Texanol*tempo, DF=14, F=1,26, P=0,239).I polimeri “morbidi” 0S e 4S hanno mantenuto livelli leggermente più alti di prestazioni PS rispetto alle sospensioni di controllo (U di Mann-Whitney, 0S rispetto ai controlli, W = 686,0, P = 0,044, 4S rispetto ai controlli, W = 713, P = 0,01) e hanno mantenuto un migliorato Fv./Fm (Fig. 3a) mostra un trasporto più efficiente al Fotosistema II.Per i valori Fv/Fm delle celle CCAP 1479/1A, è stata riscontrata una differenza significativa del lattice nel tempo (GLM, Latex*Texanol*Time, DF=28, F=6,00, P=<0,001) (Figura 3b).).
Nella fig.4 mostra il PS medio e il Fv/Fm su un periodo di 7 giorni in funzione della crescita cellulare per ciascun ceppo.S. elongatus PCC 7942 non aveva uno schema chiaro (Fig. 4a eb), tuttavia, CCAP 1479/1A mostrava una relazione parabolica tra i valori PS (Fig. 4c) e Fv/Fm (Fig. 4d) come i rapporti di stirene e butil acrilato crescono con il cambiamento.
Relazione tra crescita e fotofisiologia di Synechococcus longum su preparati di lattice.(a) Dati di tossicità tracciati rispetto al tasso fotosintetico apparente (PS), (b) resa quantica massima PSII (Fv/Fm) di PCC 7942. c Dati di tossicità tracciati rispetto a PS e d Fv/Fm CCAP 1479/1A.Il rapporto tra stirene e butil acrilato è 1:3 per il lattice “duro” (H), 1:1 per “normale” (N) e 3:1 per “morbido” (S).I numeri precedenti nel codice del lattice corrispondono al contenuto di Texanol.(media ± deviazione standard; n = 3).
Il biocomposito PCC 7942 ha avuto un effetto limitato sulla ritenzione cellulare con una significativa lisciviazione cellulare durante le prime quattro settimane (Figura 5).Dopo la fase iniziale di assorbimento di CO2, le cellule fissate con lattice 12 N hanno iniziato a rilasciare CO2 e questo schema è continuato tra i giorni 4 e 14 (Fig. 5b).Questi dati sono coerenti con le osservazioni sullo scolorimento dei pigmenti.L'assorbimento netto di CO2 è ricominciato dal giorno 18. Nonostante il rilascio cellulare (Fig. 5a), il biocomposito PCC 7942 12 N ha comunque accumulato più CO2 rispetto alla sospensione di controllo nell'arco di 28 giorni, anche se leggermente (test U di Mann-Whitney, W = 2275,5; P = 0,066).Il tasso di assorbimento di CO2 da parte del lattice 12 N e 4 N è 0,51 ± 0,34 e 1,18 ± 0,29 g CO2 g-1 della biomassa d-1.È stata riscontrata una differenza statisticamente significativa tra i livelli di trattamento e quelli temporali (test di Chairer-Ray-Hare, trattamento: DF=2, H=70,62, P=<0,001 tempo: DF=13, H=23,63, P=0,034), ma non lo era.è stata riscontrata una relazione significativa tra trattamento e tempo (test di Chairer-Ray-Har, tempo*trattamento: DF=26, H=8,70, P=0,999).
Test di assorbimento di CO2 a metà lotto su biocompositi Synechococcus elongatus PCC 7942 utilizzando lattice 4N e 12N.(a) Le immagini mostrano il rilascio cellulare e lo scolorimento dei pigmenti, nonché immagini SEM del biocomposito prima e dopo il test.Le linee tratteggiate bianche indicano i siti di deposizione cellulare sul biocomposito.(b) Consumo netto cumulativo di CO2 su un periodo di quattro settimane.Il lattice “normale” (N) ha un rapporto tra stirene e butil acrilato di 1:1.I numeri precedenti nel codice del lattice corrispondono al contenuto di Texanol.(media ± deviazione standard; n = 3).
La ritenzione cellulare è stata significativamente migliorata per il ceppo CCAP 1479/1A con 4S e 12S, sebbene il pigmento cambiasse lentamente colore nel tempo (Fig. 6a).Il biocomposito CCAP 1479/1A assorbe la CO2 per 84 giorni interi (12 settimane) senza ulteriori integratori nutrizionali.L'analisi SEM (Fig. 6a) ha confermato l'osservazione visiva del distacco di piccole cellule.Inizialmente, le cellule erano racchiuse in un rivestimento in lattice che manteneva la sua integrità nonostante la crescita cellulare.Il tasso di assorbimento di CO2 era significativamente più alto rispetto al gruppo di controllo (test Scheirer-Ray-Har, trattamento: DF=2; H=240,59; P=<0,001, tempo: DF=42; H=112; P=<0,001) ( Figura 6b).Il biocomposito 12S ha raggiunto il massimo assorbimento di CO2 (1,57 ± 0,08 g CO2 g-1 di biomassa al giorno), mentre il lattice 4S era 1,13 ± 0,41 g CO2 g-1 di biomassa al giorno, ma non differivano significativamente (Mann-Whitney U .test, W = 1507,50; P = 0,07) e nessuna interazione significativa tra trattamento e tempo (test di Shirer-Rey-Hara, tempo * trattamento: DF = 82; H = 10,37; P = 1,000).
Test di assorbimento di CO2 su metà lotto utilizzando biocompositi Synechococcus elongatus CCAP 1479/1A con lattice 4N e 12N.(a) Le immagini mostrano il rilascio cellulare e lo scolorimento dei pigmenti, nonché immagini SEM del biocomposito prima e dopo il test.Le linee tratteggiate bianche indicano i siti di deposizione cellulare sul biocomposito.(b) Consumo netto cumulativo di CO2 nel corso del periodo di dodici settimane.Il lattice “morbido” (S) ha un rapporto tra stirene e butil acrilato di 1:1.I numeri precedenti nel codice del lattice corrispondono al contenuto di Texanol.(media ± deviazione standard; n = 3).
S. elongatus PCC 7942 (test Shirer-Ray-Har, tempo*trattamento: DF=4, H=3,243, P=0,518) o biocomposito S. elongatus CCAP 1479/1A (due-ANOVA, tempo*trattamento: DF=8 , F = 1,79, P = 0,119) (Fig. S4).Il biocomposito PCC 7942 presentava il contenuto di carboidrati più elevato alla settimana 2 (4 N = 59,4 ± 22,5 in peso%, 12 N = 67,9 ± 3,3 in peso%), mentre la sospensione di controllo presentava il contenuto di carboidrati più elevato alla settimana 4 quando (controllo = 59,6 ± 2,84% c/c).Il contenuto totale di carboidrati del biocomposito CCAP 1479/1A era paragonabile alla sospensione di controllo tranne all'inizio dello studio, con alcuni cambiamenti nel lattice 12S alla settimana 4. I valori più alti per il biocomposito erano 51,9 ± 9,6% in peso per 4S e 77,1 ± 17,0% in peso per 12S.
Abbiamo deciso di dimostrare le possibilità di progettazione per migliorare l’integrità strutturale dei rivestimenti polimerici in lattice a film sottile come componente importante del concetto di biocomposito che imita il lichene senza sacrificare la biocompatibilità o le prestazioni.In effetti, se le sfide strutturali associate alla crescita cellulare verranno superate, ci aspettiamo miglioramenti significativi delle prestazioni rispetto ai nostri biocompositi sperimentali, che sono già paragonabili ad altri sistemi di cattura del carbonio di cianobatteri e microalghe.
I rivestimenti devono essere non tossici, durevoli, supportare l’adesione cellulare a lungo termine e devono essere porosi per favorire un efficiente trasferimento di massa di CO2 e il degasaggio di O2.I polimeri acrilici di tipo lattice sono facili da preparare e sono ampiamente utilizzati nell’industria delle vernici, dei tessili e degli adesivi30.Abbiamo combinato i cianobatteri con un'emulsione polimerica di lattice acrilico a base d'acqua polimerizzata con un rapporto specifico di particelle di stirene/butile acrilato e varie concentrazioni di Texanolo.Lo stirene e il butil acrilato sono stati scelti per essere in grado di controllare le proprietà fisiche, in particolare l'elasticità e l'efficienza di coalescenza del rivestimento (fondamentale per un rivestimento forte e altamente adesivo), consentendo la sintesi di aggregati di particelle “dure” e “morbide”.I dati sulla tossicità suggeriscono che il lattice “duro” con un alto contenuto di stirene non favorisce la sopravvivenza dei cianobatteri.A differenza dell'acrilato di butile, lo stirene è considerato tossico per le alghe32,33.I ceppi di cianobatteri hanno reagito in modo abbastanza diverso al lattice e la temperatura ottimale di transizione vetrosa (Tg) è stata determinata per S. elongatus PCC 7942, mentre S. elongatus CCAP 1479/1A ha mostrato una relazione lineare negativa con Tg.
La temperatura di asciugatura influisce sulla capacità di formare una pellicola di lattice continua ed uniforme.Se la temperatura di asciugatura è inferiore alla temperatura minima di formazione della pellicola (MFFT), le particelle di lattice polimerico non coalesceranno completamente, con conseguente adesione solo all'interfaccia delle particelle.I film risultanti hanno scarsa adesione e resistenza meccanica e possono essere anche sotto forma di polvere29.La MFFT è strettamente correlata alla Tg, che può essere controllata dalla composizione del monomero e dall'aggiunta di coalescenti come il Texanol.La Tg determina molte delle proprietà fisiche del rivestimento risultante, che può trovarsi allo stato gommoso o vetroso34.Secondo l'equazione di Flory-Fox35, la Tg dipende dal tipo di monomero e dalla relativa composizione percentuale.L'aggiunta di coalescente può abbassare il MFFT tramite la soppressione intermittente della Tg delle particelle di lattice, che consente la formazione di film a temperature più basse, ma forma comunque un rivestimento duro e resistente perché il coalescente evapora lentamente nel tempo o è stato estratto 36 .
L'aumento della concentrazione di Texanol favorisce la formazione del film ammorbidendo le particelle del polimero (riducendo la Tg) a causa dell'assorbimento da parte delle particelle durante l'essiccazione, aumentando così la forza del film coesivo e l'adesione cellulare.Poiché il biocomposito viene essiccato a temperatura ambiente (~18–20°C), la Tg (da 30 a 55°C) del lattice “duro” è superiore alla temperatura di essiccazione, il che significa che la coalescenza delle particelle potrebbe non essere ottimale, con conseguente I film B che rimangono vetrosi, le scarse proprietà meccaniche e adesive, l'elasticità e la diffusività limitate30 portano infine a una maggiore perdita di cellule.La formazione del film da polimeri “normali” e “morbidi” avviene alla Tg o al di sotto della Tg del film polimerico, e la formazione del film è migliorata grazie a una migliore coalescenza, risultando in film polimerici continui con proprietà meccaniche, coesive e adesive migliorate.La pellicola risultante rimarrà gommosa durante gli esperimenti di cattura della CO2 poiché la sua Tg è vicina alla temperatura (miscela “normale”: da 12 a 20 ºC) o molto inferiore (miscela “soft”: da -21 a -13 °C) alla temperatura ambiente 30 .Il lattice “duro” (da 3,4 a 2,9 kgf mm–1) è tre volte più duro del lattice “normale” (da 1,0 a 0,9 kgf mm–1).La durezza dei lattici “morbidi” non può essere misurata mediante microdurezza a causa della loro eccessiva gommosità e appiccicosità a temperatura ambiente.La carica superficiale può anche influenzare l’affinità di adesione, ma sono necessari più dati per fornire informazioni significative.Tuttavia, tutti i lattici hanno trattenuto efficacemente le cellule, rilasciandone meno dell'1%.
La produttività della fotosintesi diminuisce nel tempo.L'esposizione al polistirene porta alla rottura della membrana e allo stress ossidativo38,39,40,41.I valori Fv/Fm di S. elongatus CCAP 1479/1A esposto a 0S e 4S erano quasi il doppio rispetto al controllo in sospensione, il che è in buon accordo con il tasso di assorbimento di CO2 del biocomposito 4S, nonché con valori medi di PS più bassi.valori.Valori Fv/Fm più elevati indicano che il trasporto di elettroni al PSII può fornire più fotoni42, il che può comportare tassi di fissazione della CO2 più elevati.Tuttavia, va notato che i dati fotofisiologici sono stati ottenuti da cellule sospese in soluzioni acquose di lattice e potrebbero non essere necessariamente direttamente confrontabili con biocompositi maturi.
Se il lattice crea una barriera alla luce e/o allo scambio di gas con conseguente restrizione della luce e della CO2, può causare stress cellulare e ridurre le prestazioni e, se influisce sul rilascio di O2, la fotorespirazione39.È stata valutata la trasmissione della luce dei rivestimenti polimerizzati: il lattice “duro” ha mostrato una leggera diminuzione nella trasmissione della luce tra 440 e 480 nm (migliorata in parte aumentando la concentrazione di Texanol grazie alla migliore coalescenza del film), mentre “morbido” e “normale” " il lattice ha mostrato una leggera diminuzione nella trasmissione della luce.non mostra perdite evidenti.I test, così come tutte le incubazioni, sono stati eseguiti a bassa intensità luminosa (30,5 µmol m-2 s-1), quindi qualsiasi radiazione fotosinteticamente attiva dovuta alla matrice polimerica sarà compensata e potrebbe anche essere utile per prevenire la fotoinibizione.a intensità luminose dannose.
Il biocomposito CCAP 1479/1A ha funzionato durante gli 84 giorni di test, senza ricambio di nutrienti o perdita significativa di biomassa, che rappresenta uno degli obiettivi chiave dello studio.La depigmentazione cellulare può essere associata a un processo di clorosi in risposta alla carenza di azoto per ottenere una sopravvivenza a lungo termine (stato di riposo), che può aiutare le cellule a riprendere la crescita dopo che è stato raggiunto un sufficiente accumulo di azoto.Le immagini al SEM hanno confermato che le cellule sono rimaste all'interno del rivestimento nonostante la divisione cellulare, dimostrando l'elasticità del lattice “morbido” e mostrando quindi un netto vantaggio rispetto alla versione sperimentale.Il lattice “morbido” contiene circa il 70% di butil acrilato (in peso), che è molto superiore alla concentrazione indicata per un rivestimento flessibile dopo l'essiccazione44.
L’assorbimento netto di CO2 è stato significativamente più alto di quello della sospensione di controllo (14-20 e 3-8 volte più alto per S. elongatus CCAP 1479/1A e PCC 7942, rispettivamente).In precedenza, abbiamo utilizzato un modello di trasferimento di massa di CO2 per dimostrare che il principale fattore di un elevato assorbimento di CO2 è un forte gradiente di concentrazione di CO2 sulla superficie del biocomposito31 e che le prestazioni del biocomposito possono essere limitate dalla resistenza al trasferimento di massa.Questo problema può essere superato incorporando ingredienti non tossici e non filmogeni nel lattice per aumentare la porosità e la permeabilità del rivestimento26, ma la ritenzione cellulare potrebbe essere compromessa poiché questa strategia si tradurrà inevitabilmente in una pellicola più debole20.La composizione chimica può essere modificata durante la polimerizzazione per aumentare la porosità, che è l’opzione migliore, soprattutto in termini di produzione industriale e scalabilità45.
Le prestazioni del nuovo biocomposito rispetto a studi recenti che utilizzano biocompositi di microalghe e cianobatteri hanno mostrato vantaggi nella regolazione del tasso di caricamento cellulare (Tabella 1)21,46 e con tempi di analisi più lunghi (84 giorni contro 15 ore46 e 3 settimane21).
Il contenuto volumetrico di carboidrati nelle cellule si confronta favorevolmente con altri studi47,48,49,50 che utilizzano cianobatteri e viene utilizzato come potenziale criterio per applicazioni di cattura e utilizzo/recupero del carbonio, come per i processi di fermentazione BECCS49,51 o per la produzione di sostanze biodegradabili bioplastiche52 .Come parte della logica di questo studio, presupponiamo che il rimboschimento, anche considerato nel concetto di emissioni negative del BECCS, non sia una panacea per il cambiamento climatico e consumi una quota allarmante delle terre coltivabili mondiali6.Come esperimento mentale, è stato stimato che tra 640 e 950 GtCO2 dovrebbero essere rimossi dall’atmosfera entro il 2100 per limitare l’aumento della temperatura globale a 1,5°C53 (circa 8-12 GtCO2 all’anno).Raggiungere questo obiettivo con un biocomposito con prestazioni migliori (574,08 ± 30,19 t CO2 t-1 di biomassa per anno-1) richiederebbe un’espansione del volume da 5,5 × 1010 a 8,2 × 1010 m3 (con efficienza fotosintetica comparabile), contenente da 196 a 2,92 miliardi di litri di polimero.Supponendo che 1 m3 di biocompositi occupi 1 m2 di superficie terrestre, l'area necessaria per assorbire l'obiettivo annuale di CO2 totale sarà compresa tra 5,5 e 8,17 milioni di ettari, che equivalgono allo 0,18-0,27% di superficie abitabile dei terreni della zona. tropici e ridurre la superficie terrestre.necessità di BECCS del 98-99%.Va notato che il rapporto di cattura teorico si basa sull'assorbimento di CO2 registrato in condizioni di scarsa illuminazione.Non appena il biocomposito viene esposto a una luce naturale più intensa, il tasso di assorbimento di CO2 aumenta, riducendo ulteriormente il fabbisogno di terreno e spostando ulteriormente l’ago della bilancia verso il concetto di biocomposito.Tuttavia, l'implementazione deve essere all'equatore per garantire intensità e durata costanti della retroilluminazione.
L'effetto globale della fertilizzazione con CO2, ovvero l'aumento della produttività della vegetazione causato dalla maggiore disponibilità di CO2, è diminuito sulla maggior parte delle aree terrestri, probabilmente a causa dei cambiamenti nei nutrienti chiave del suolo (N e P) e nelle risorse idriche7.Ciò significa che la fotosintesi terrestre potrebbe non portare ad un aumento dell’assorbimento di CO2, nonostante le elevate concentrazioni di CO2 nell’aria.In questo contesto, le strategie di mitigazione dei cambiamenti climatici basate sul suolo come la BECCS hanno ancora meno probabilità di successo.Se questo fenomeno globale fosse confermato, il nostro biocomposito ispirato ai licheni potrebbe rappresentare una risorsa fondamentale, trasformando i microbi fotosintetici acquatici unicellulari in “agenti terrestri”.La maggior parte delle piante terrestri fissano la CO2 attraverso la fotosintesi C3, mentre le piante C4 sono più favorevoli agli habitat più caldi e secchi e sono più efficienti a pressioni parziali di CO254 più elevate.I cianobatteri offrono un’alternativa che potrebbe compensare le previsioni allarmanti di una ridotta esposizione al biossido di carbonio nelle piante C3.I cianobatteri hanno superato le limitazioni fotorespiratorie sviluppando un efficiente meccanismo di arricchimento del carbonio in cui pressioni parziali più elevate di CO2 sono presentate e mantenute dalla ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi (RuBisCo) all'interno dei carbossisomi circostanti.Se la produzione di biocompositi cianobatterici potesse essere aumentata, questa potrebbe diventare un’arma importante per l’umanità nella lotta contro il cambiamento climatico.
I biocompositi (imitatori di licheni) offrono chiari vantaggi rispetto alle tradizionali colture in sospensione di microalghe e cianobatteri, fornendo tassi di assorbimento di CO2 più elevati, minimizzando i rischi di inquinamento e promettendo di evitare la CO2 in modo competitivo.I costi riducono significativamente l’uso di terra, acqua e sostanze nutritive56.Questo studio dimostra la fattibilità dello sviluppo e della produzione di un lattice biocompatibile ad alte prestazioni che, se combinato con una spugna di luffa come substrato candidato, può fornire un assorbimento di CO2 efficiente ed efficace durante mesi di intervento chirurgico mantenendo al minimo la perdita di cellule.I biocompositi potrebbero teoricamente catturare circa 570 t CO2 t-1 di biomassa all’anno e potrebbero rivelarsi più importanti delle strategie di rimboschimento BECCS nella nostra risposta al cambiamento climatico.Con un'ulteriore ottimizzazione della composizione polimerica, test con intensità di luce più elevate e in combinazione con un'elaborata ingegneria metabolica, gli originali biogeoingegneri della natura possono ancora una volta venire in soccorso.
I polimeri del lattice acrilico sono stati preparati utilizzando una miscela di monomeri di stirene, butilacrilato e acido acrilico, e il pH è stato regolato a 7 con idrossido di sodio 0,1 M (tabella 2).Lo stirene e il butil acrilato costituiscono la maggior parte delle catene polimeriche, mentre l'acido acrilico aiuta a mantenere in sospensione le particelle di lattice57.Le proprietà strutturali del lattice sono determinate dalla temperatura di transizione vetrosa (Tg), che è controllata modificando il rapporto tra stirene e butil acrilato, che fornisce rispettivamente proprietà “duro” e “morbido”58.Un tipico polimero del lattice acrilico è stirene:butile acrilato 30 50:50, quindi in questo studio il lattice con questo rapporto è stato definito lattice "normale" e il lattice con un contenuto di stirene più elevato è stato indicato come lattice con un contenuto di stirene inferiore .chiamato “morbido” in quanto “duro”.
È stata preparata un'emulsione primaria utilizzando acqua distillata (174 g), bicarbonato di sodio (0,5 g) e tensioattivo Rhodapex Ab/20 (30,92 g) (Solvay) per stabilizzare le 30 goccioline di monomero.Utilizzando una siringa di vetro (Science Glass Engineering) con una pompa a siringa, un'aliquota secondaria contenente stirene, butil acrilato e acido acrilico elencati nella Tabella 2 è stata aggiunta goccia a goccia ad una velocità di 100 ml h-1 all'emulsione primaria nell'arco di 4 ore (Cole -Palmer, Mount Vernon, Illinois).Preparare una soluzione di iniziatore di polimerizzazione 59 utilizzando dHO e persolfato di ammonio (100 ml, 3% p/p).
Agitare la soluzione contenente dHO (206 g), bicarbonato di sodio (1 g) e Rhodapex Ab/20 (4,42 g) utilizzando un agitatore (valore Heidolph Hei-TORQUE 100) con un'elica in acciaio inossidabile e riscaldare a 82°C in un recipiente rivestito d'acqua in un bagnomaria riscaldato VWR Scientific 1137P.Una soluzione a peso ridotto di monomero (28,21 g) e iniziatore (20,60 g) è stata aggiunta goccia a goccia al recipiente incamiciato e agitata per 20 minuti.Mescolare vigorosamente le restanti soluzioni di monomero (150 ml h-1) e iniziatore (27 ml h-1) per mantenere le particelle in sospensione fino a quando non vengono aggiunte alla camicia d'acqua nell'arco di 5 ore utilizzando siringhe da 10 ml e 100 ml rispettivamente in un contenitore .completo di pompa a siringa.La velocità dell'agitatore è stata aumentata a causa dell'aumento del volume dell'impasto liquido per garantire la ritenzione dell'impasto liquido.Dopo l'aggiunta dell'iniziatore e dell'emulsione, la temperatura di reazione è stata aumentata a 85°C, agitata bene a 450 giri al minuto per 30 minuti, quindi raffreddata a 65°C.Dopo il raffreddamento, al lattice sono state aggiunte due soluzioni di spostamento: tert-butil idroperossido (t-BHP) (70% in acqua) (5 g, 14% in peso) e acido isoascorbico (5 g, 10% in peso)..Aggiungere goccia a goccia t-BHP e lasciare agire per 20 minuti.È stato quindi aggiunto acido eritorbico ad una velocità di 4 ml/h da una siringa da 10 ml utilizzando una pompa a siringa.La soluzione di lattice è stata quindi raffreddata a temperatura ambiente e regolata a pH 7 con idrossido di sodio 0,1 M.
Il 2,2,4-trimetil-1,3-pentandiolo monoisobutirrato (Texanolo) – coalescente biodegradabile a bassa tossicità per vernici al lattice 37,60 – è stato aggiunto con una siringa e una pompa in tre volumi (0, 4, 12% v/v) come agente coalescente per miscele di lattice per facilitare la formazione del film durante l'asciugatura37.La percentuale di solidi del lattice è stata determinata ponendo 100 µl di ciascun polimero in tappi di foglio di alluminio prepesati ed essiccando in un forno a 100°C per 24 ore.
Per la trasmissione della luce, ciascuna miscela di lattice è stata applicata su un vetrino da microscopio utilizzando un cubo di gocce di acciaio inossidabile calibrato per produrre pellicole da 100 µm ed essiccate a 20°C per 48 ore.La trasmissione della luce (focalizzata sulla radiazione fotosinteticamente attiva, λ 400–700 nm) è stata misurata su uno spettroradiometro ILT950 SpectriLight con un sensore a una distanza di 35 cm da una lampada fluorescente da 30 W (Sylvania Luxline Plus, n = 6) - dove la luce la fonte era cianobatteri e organismi. I materiali compositi sono preservati.Il software SpectrILight III versione 3.5 è stato utilizzato per registrare l'illuminamento e la trasmissione nell'intervallo λ 400–700 nm61.Tutti i campioni sono stati posizionati sopra il sensore e come controlli sono stati utilizzati vetrini non rivestiti.
I campioni di lattice sono stati aggiunti a una teglia in silicone e lasciati asciugare per 24 ore prima di essere testati per la durezza.Posizionare il campione di lattice essiccato su un tappo di acciaio sotto un microscopio x10.Dopo la focalizzazione, i campioni sono stati valutati su un tester di microdurezza Buehler Micromet II.Il campione è stato sottoposto ad una forza compresa tra 100 e 200 grammi e il tempo di caricamento è stato impostato su 7 secondi per creare un'ammaccatura di diamante nel campione.La stampa è stata analizzata utilizzando un obiettivo per microscopio Bruker Alicona × 10 con software aggiuntivo per la misurazione della forma.Per calcolare la durezza di ciascun lattice è stata utilizzata la formula della durezza Vickers (equazione 1), dove HV è il numero Vickers, F è la forza applicata e d è la media delle diagonali del rientro calcolate dall'altezza e dalla larghezza del lattice.valore del rientro.Il lattice “morbido” non può essere misurato a causa dell'adesione e dell'allungamento durante il test di indentazione.
Per determinare la temperatura di transizione vetrosa (Tg) della composizione di lattice, i campioni di polimero sono stati posti in piastre di gel di silice, essiccati per 24 ore, pesati a 0,005 g e posti in piastre per campioni.La piastra è stata tappata e posta in un colorimetro a scansione differenziale (PerkinElmer DSC 8500, Intercooler II, software di analisi dati Pyris)62.Il metodo del flusso di calore viene utilizzato per posizionare le tazze di riferimento e le tazze dei campioni nello stesso forno con una sonda di temperatura incorporata per misurare la temperatura.Sono state utilizzate in totale due rampe per creare una curva coerente.Il metodo del campione è stato ripetutamente portato da -20°C a 180°C ad una velocità di 20°C al minuto.Ciascun punto iniziale e finale viene memorizzato per 1 minuto per tenere conto dello sfasamento della temperatura.
Per valutare la capacità del biocomposito di assorbire CO2, i campioni sono stati preparati e testati nello stesso modo del nostro studio precedente31.La salvietta asciugata e autoclavata è stata tagliata in strisce di circa 1×1×5 cm e pesata.Applicare 600 µl dei due biorivestimenti più efficaci di ciascun ceppo di cianobatteri a un'estremità di ciascuna striscia di luffa, coprendo circa 1 × 1 × 3 cm, e asciugare al buio a 20°C per 24 ore.A causa della struttura macroporosa della luffa, parte della formula veniva sprecata, quindi l'efficienza di caricamento delle celle non era del 100%.Per superare questo problema, il peso della preparazione secca sulla luffa è stato determinato e normalizzato rispetto alla preparazione secca di riferimento.I controlli abiotici costituiti da luffa, lattice e mezzo nutritivo sterile sono stati preparati in modo simile.
Per eseguire un test di assorbimento di CO2 a metà lotto, posizionare il biocomposito (n = 3) in un tubo di vetro da 50 ml in modo che un'estremità del biocomposito (senza il biorivestimento) sia in contatto con 5 ml di terreno di crescita, consentendo alla sostanza nutritiva di essere trasportato per azione capillare..La bottiglia è sigillata con un tappo di sughero in gomma butilica del diametro di 20 mm e sigillata con un tappo in alluminio argentato.Una volta sigillato, iniettare 45 ml di CO2/aria al 5% con un ago sterile collegato a una siringa a tenuta di gas.La densità cellulare della sospensione di controllo (n = 3) era equivalente al carico cellulare del biocomposito nel mezzo nutritivo.Le prove sono state effettuate a 18 ± 2 °C con un fotoperiodo di 16:8 e un fotoperiodo di 30,5 µmol m-2 s-1.Lo spazio di testa è stato rimosso ogni due giorni con una siringa a tenuta di gas e analizzato con un misuratore di CO2 ad assorbimento infrarosso GEOTech G100 per determinare la percentuale di CO2 assorbita.Aggiungere un volume uguale di miscela di gas CO2.
La % CO2 Fix viene calcolata come segue: % CO2 Fix = 5% (v/v) – scrivere %CO2 (equazione 2) dove P = pressione, V = volume, T = temperatura e R = costante del gas ideale.
I tassi di assorbimento di CO2 riportati per le sospensioni di controllo di cianobatteri e biocompositi sono stati normalizzati rispetto ai controlli non biologici.L'unità funzionale di g biomassa è la quantità di biomassa secca immobilizzata sulla salvietta.Viene determinato pesando i campioni di luffa prima e dopo la fissazione delle cellule.Contabilità della massa del carico cellulare (equivalente di biomassa) pesando individualmente i preparati prima e dopo l'essiccazione e calcolando la densità del preparato cellulare (equazione 3).Si presuppone che le preparazioni cellulari siano omogenee durante la fissazione.
Per l'analisi statistica sono stati utilizzati Minitab 18 e Microsoft Excel con il componente aggiuntivo RealStatistics.La normalità è stata testata utilizzando il test di Anderson-Darling e l’uguaglianza delle varianze è stata testata utilizzando il test di Levene.I dati che soddisfacevano queste ipotesi sono stati analizzati utilizzando l'analisi della varianza a due vie (ANOVA) con il test di Tukey come analisi post hoc.I dati a due vie che non soddisfacevano i presupposti di normalità e uguale varianza sono stati analizzati utilizzando il test Shirer-Ray-Hara e poi il test U di Mann-Whitney per determinare la significatività tra i trattamenti.Per i dati non normali con tre fattori sono stati utilizzati modelli lineari misti generalizzati (GLM), dove i dati sono stati trasformati utilizzando la trasformata di Johnson63.Sono state eseguite correlazioni momento dei prodotti Pearson per valutare la relazione tra concentrazione di Texanol, temperatura di transizione vetrosa e dati sulla tossicità e sull'adesione del lattice.
Orario di pubblicazione: 05-gen-2023